Sulla ricerca in fisica della materia condensata - una conversazione con il Prof. Carmine Autieri

"La sfida più grande è trasferire gli effetti quantistici osservati e simulati numericamente alla vita di tutti i giorni", afferma Carmine Autieri, responsabile del gruppo di ricerca e professore presso l'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze polacca. In un'intervista rilasciata a giugno alla Stazione dell'Accademia delle Scienze polacca a Roma, il Prof. Autieri ha accettato di parlare delle sue esperienze di lavoro in Polonia e all'estero, delle sue attività scientifiche, nonché dei risultati ottenuti nel corso degli anni nel campo della fisica della materia condensata e dei suoi progetti per il futuro.

Cosa pensa della Polonia, soprattutto dopo i suoi soggiorni all'estero nella Repubblica Ceca o in Francia?

Carmine Autieri: In Polonia ho avuto modo di visitare soprattutto Cracovia e Varsavia. Entrambe le città sono molto ospitali e aperte al turismo internazionale, con un'atmosfera multiculturale, tipica delle grandi metropoli europee. Sono anche molto moderne, con una rete di servizi ben sviluppata. Credo che siano un luogo eccellente per i locali, ma anche per i turisti. I giovani, soprattutto nelle grandi città, parlano un ottimo inglese, a un livello molto alto. La Polonia ha un mercato del lavoro dinamico, flessibile e meritocratico, che offre opportunità di sviluppo professionale. Questo modello di vita crea grande motivazione, soprattutto nei giovani.

Come lavorate e collaborate con i polacchi?

CA: Vorrei iniziare dicendo che nel campo della fisica della materia la collaborazione è qualcosa di indispensabile; basti pensare che un articolo scientifico può avere fino a 20 coautori. La collaborazione è quindi necessaria perché ognuno ha le proprie conoscenze e competenze e solo il lavoro di squadra permette di realizzare diversi esperimenti e calcoli teorici. Sulla base delle diverse informazioni raccolte dalle parti teoriche e sperimentali, si traggono le conclusioni sulla ricerca svolta. Ho avuto l'opportunità di lavorare con diversi membri del personale, provenienti dalla Polonia e non solo. Personalmente li trovo fantastici, sia dal punto di vista professionale che personale.

In cosa consiste esattamente il suo lavoro nella fisica della materia condensata?

CA: La mia ricerca riguarda l'influenza reciproca del magnetismo, dell'accoppiamento spin-orbita e delle simmetrie cristalline, che produce effetti topologici. Gli effetti topologici sono estremamente complessi e contribuiscono al fatto che le superfici dei materiali si comportano in modo diverso dalle loro parti interne, il che ha aperto la strada alla scoperta di una moltitudine di nuovi fenomeni e meccanismi fisici negli ultimi 15 anni. Inoltre, ho studiato diverse proprietà di trasporto, come il fenomeno di Hall anomalo, l'effetto Hall quantistico e l'effetto Hall di spin quantizzato. Recentemente, il mio team e io ci siamo concentrati anche sullo studio dell'altermagnetismo.

Come è nata la collaborazione con l'Accademia delle Scienze polacca?

CA: Nel gennaio 2018 sono stato ospite del mio collega Wojciech Brzezicki. Presso l'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze polacca, stavamo lavorando sull'effetto Hall anomalo tra piani confinanti di materiali diversi. A Varsavia ho conosciuto il Prof. Tomasz Dietl, che mi ha parlato di un concorso finanziato dalla Fondazione per la Scienza Polacca per un posto di assistente alla cattedra nella mia specializzazione e per candidati con un'esperienza lavorativa coincidente con quella che avevo all'epoca. Ero alla ricerca di un nuovo lavoro, quindi ho fatto subito domanda in aprile. Ho vinto il concorso e a giugno 2018 ero già a Varsavia.

Qual è la struttura e la composizione del dipartimento in cui lavora?

CA: Magtop è un centro internazionale. Il reparto è composto da circa il 50% di polacchi e il 50% di stranieri, la maggior parte dei quali proviene dall'Asia e il resto dall'Europa e dall'America. Il dipartimento è diviso in sei gruppi. Tre gruppi sono specializzati nella parte sperimentale, mentre gli altri tre si concentrano sugli aspetti teorici. Il mio gruppo lavora sulla ricerca teorica conducendo simulazioni numeriche. Una delle caratteristiche del nostro dipartimento è l'uso massiccio di grandi infrastrutture. I teorici utilizzano enormi supercomputer forniti da varie infrastrutture polacche come la PL-Grid, mentre gli sperimentatori utilizzano spesso i laboratori di Grenoble per la ricerca magnetica ad alto campo e SOLARIS. Quest'ultimo è l'unico sincrotrone dell'Europa centrale e orientale e si trova a Cracovia.

Con quali enti collabora Magtop?

CA: I dipendenti di Magtop lavorano con molte aziende internazionali, soprattutto in Europa occidentale, ma non solo. Collaboriamo anche con aziende tecnologiche leader in Polonia e nel mondo, come VIGO System S.A., PUREMAT Technologies, KRIOSYSTEM, MeasLine S.A. e altre. Abbiamo anche condotto ricerche in collaborazione con scienziati Microsoft. Per consolidare e mantenere questi contatti, Magtop ha sostenuto e organizzato diverse serie di incontri e conferenze internazionali, due delle quali si sono tenute a Varsavia solo nel 2023.

E cosa ne pensa dell'Istituto di Fisica del PAN?

CA: Nel corso degli anni, l'IF PAN ha dato un contributo significativo allo sviluppo della fisica della materia topologica. È qui che negli anni '60 sono stati scoperti per la prima volta i coni di Dirac, diventati poi famosi nel 2004 con la creazione del grafene. Nel 2012, il Prof. Tomasz Story e il suo team hanno dimostrato sperimentalmente l'esistenza di un isolante topologico cristallino. Inoltre, l'IF PAN è noto per i suoi enormi contributi alla fisica dei semiconduttori magnetici nel corso di diversi decenni, dalla fine del secolo scorso all'inizio del XXI secolo.

Può parlarci delle scoperte o dei risultati più interessanti a cui ha contribuito la sua ricerca?

CA: In passato, mi sono concentrato principalmente sulle transizioni di fase tra metalli isolanti negli ossidi di metalli di transizione. Recentemente, insieme a Wojciech Brzezicki della Jagiellonian University e al CNR-SPIN (Italia), possiamo vantare importanti ricerche sugli effetti Hall anomali negli stessi composti. Insieme al professor Tomasz Dietl e ad altri membri del Magtop, ho studiato l'interazione tra i momenti magnetici negli isolanti topologici. Inoltre, il Centro Magtop ha dato importanti contributi allo studio delle bande piatte dei materiali, alla compensazione dell'effetto Hall quantistico e allo sviluppo di nuovi materiali in grado di replicare questi effetti.

Cosa pensate di pubblicare nel prossimo futuro?

CA: Attualmente il mio gruppo di ricerca si sta concentrando su un nuovo tipo di magnetismo, che è stato chiamato altermagnetismo. Finora i principali gruppi di materiali magnetici conosciuti sono stati i ferromagneti e gli antiferromagneti. I sistemi altermagnetici sono caratterizzati dalla magnetizzazione degli antiferromagneti, ma i loro livelli energetici sono tipici dei ferromagneti. Questo permette di sfruttare le proprietà dei ferromagneti e degli antiferromagneti allo stesso tempo, cosa che non si pensava fosse possibile in precedenza. La ricerca in questo campo è in corso solo da 2-3 anni, quindi ci sono ancora molti aspetti inesplorati in questo campo, che nasconde un grande potenziale per la loro applicazione e la produzione di nuovi dispositivi elettronici. Insieme ai membri del mio team, contiamo di dare un contributo significativo al campo dell'alltermagnetismo.

Quale sarebbe la sua più grande sfida professionale?

CA: Magtop opera su due fronti: 'puramente scientifico' e 'applicazioni tecnologiche'. La sfida più grande è quella di trasferire gli effetti quantistici osservati e simulati numericamente alla vita quotidiana. Il compito più difficile è riprodurre questi effetti in dispositivi a temperatura ambiente, con costi limitati e un alto grado di affidabilità del dispositivo. Questo è un obiettivo che ci sta molto a cuore e ci stiamo muovendo in questa direzione. Lo dimostra il fatto che negli ultimi 3 anni abbiamo sviluppato 5 brevetti in collaborazione con i nostri partner industriali e altri sono in preparazione.

Ha incontrato altri scienziati italiani a Varsavia?

CA: Attualmente ci sono diversi ricercatori italiani di fisica della materia che lavorano in Polonia, uno di questi è il dottor Giuseppe Cuono, che fa parte del mio gruppo di ricerca all'IFPAN. Altri colleghi italiani lavorano all'IFPAN, all'Università di Varsavia e all'Università di Torun. Naturalmente ci conosciamo e ci scambiamo commenti e opinioni sulla nostra vita sociale e professionale in Polonia.

Il professor Autieri, specialista in simulazioni fisico numeriche della materia condensata, lavora presso il Centro internazionale sull'interazione del MAGnetismo e della superconduttività con i materiali TOPologici (MagTop).
Magtop è un ramo dell'Istituto di Fisica dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFPAN) di Varsavia, fondato dal Prof. Tomasz Dietl e dal Prof. Tomasz Wojtowicz nel 2017. Per diversi anni, Magtop è stato finanziato principalmente dalla Fondazione per la Scienza Polacca (FNP) e conduce ricerche interdisciplinari nella scienza dei materiali e nelle possibili applicazioni tecnologiche. Ulteriori fonti di finanziamento provengono da fondi europei attraverso il programma Marie Skłodowska-Curie e da altre agenzie di finanziamento polacche come NCN e NAWA.