abovEF — Misurazione della struttura elettronica al di sopra del livello di Fermi

Comprendere la struttura elettronica completa dei solidi richiede l'esplorazione sia degli stati occupati che di quelli non occupati. Mentre la spettroscopia di fotoemissione angolare (ARPES) ha rivoluzionato la nostra conoscenza delle bande elettroniche al di sotto del livello di Fermi, la sua controparte inversa, la spettroscopia di fotoemissione inversa angolare (ARIPES), rimane in gran parte incompiuta a causa di limitazioni tecniche intrinseche. Di conseguenza, gli stati non occupati, essenziali per descrivere fenomeni come la superconduttività non convenzionale o le fasi topologiche, sono ancora difficili da indagare dal punto di vista sperimentale.

Il progetto abovEF mira a costruire il primo strumento ARIPES ad alta risoluzione in grado di mappare gli stati elettronici al di sopra del livello di Fermi con una risoluzione energetica superiore a 30 meV e una risoluzione di vettor d’onda di 0,1 Å⁻¹, circa un ordine di grandezza superiore allo stato dell'arte attuale. Questa svolta sarà raggiunta trasferendo ad ARIPES i progressi tecnologici che hanno rivoluzionato la diffusione anelastica di raggi X a risonanza (RIXS).

Il nuovo laboratorio combinerà le capacità di ARPES, ARIPES e potenzialmente di spettroscopia di perdita di energia elettronica (Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS) in un'unica configurazione ad ultra alto vuoto operante a temperature criogeniche. Questa configurazione unica consentirà il confronto diretto delle dispersioni di bande occupate e non occupate nello stesso campione e in identiche condizioni sperimentali.

Scientificamente, abovEF aprirà un accesso senza precedenti agli stati elettronici non occupati di sistemi correlati e a bassa dimensionalità, consentendo una ricostruzione completa della loro struttura a bande attraverso il livello di Fermi. I primi obiettivi includeranno cuprati superconduttori ad alta temperatura critica (Tc), dove la coesistenza di fasi superconduttive e pseudogap solleva questioni fondamentali sulla simmetria particella-lacuna e sui meccanismi di accoppiamento, e materiali quantistici bidimensionali come FeSe e dicalcogenuri di metalli di transizione, che presentano superconduttività modulabile, onde di densità di carica e transizioni topologiche. Analizzando direttamente la dispersione e la simmetria degli stati vuoti, ARIPES fornirà informazioni cruciali sull'accoppiamento elettrone-fonone, sulla rinormalizzazione delle bande e sulle interazioni a molti corpi che governano le fasi quantistiche emergenti.

Il progetto stabilirà un nuovo paradigma per la spettroscopia di stati non occupati di solidi, consentendo la visualizzazione diretta della struttura elettronica "al di sopra di Fermi" e fornendo una comprensione senza precedenti dell'interazione tra correlazioni elettroniche, topologia e superconduttività nei materiali quantistici. Il progetto abovEF è interamente finanziato dal secondo bando del Fondo Italiano per la Scienza (FIS2) come Advanced Grant, principalmente dedicato alla costruzione di un nuovissimo laboratorio. Il progetto è ufficialmente iniziato a settembre 2025.