Gli isolanti topologici sono materiali con proprietà sorprendenti:la corrente elettrica scorre solo lungo le loro superfici o bordi, mentre l'interno del materiale si comporta da isolante. Nel 2007, Professor Laurens Molenkamp alla Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Baviera, Germania, fu il primo a dimostrare sperimentalmente l'esistenza di tali stati topologici. Il suo team ha realizzato questo lavoro fondamentale con pozzi quantici basati su mercurio e tellurio (HgTe). Da allora, questi nuovi materiali sono stati la speranza per una generazione fondamentalmente nuova di componenti che, Per esempio, promettono innovazioni per la tecnologia dell'informazione.

I fisici della JMU sono ora riusciti per la prima volta a costruire un elemento essenziale per tali componenti:un Quantum Point Contact (QPC). Presentano questo risultato in una recente pubblicazione sulla rivista Fisica della natura .

Confinamento per stati topologici

I contatti dei punti quantici sono costrizioni quasi unidimensionali in strutture altrimenti bidimensionali che sono sottili solo pochi strati atomici. Nei pozzi quantistici topologici di HgTe, in cui gli stati conduttori si trovano esclusivamente ai bordi, questi stati edge sono uniti spazialmente al QPC. Questa prossimità permette di indagare le potenziali interazioni tra gli stati edge.

"Questo esperimento ha potuto funzionare solo grazie a una svolta nei nostri metodi litografici. Ci ha permesso di creare strutture incredibilmente piccole senza danneggiare il materiale topologico. Sono convinto che questa tecnologia ci consentirà di trovare impressionanti, nuovi effetti nelle nanostrutture topologiche nel prossimo futuro, ", ha detto Molenkamp.

Comportamento anomalo della conduttanza attraverso l'interazione

Utilizzando un sofisticato processo di produzione, i fisici JMU sono riusciti a strutturare il collo di bottiglia in modo preciso e delicato. Questo progresso tecnologico ha permesso loro di funzionalizzare le proprietà topologiche del sistema.

In tale contesto, il team guidato dai professori Laurens Molenkamp e Björn Trauzettel è stato in grado di dimostrare per la prima volta effetti di interazione tra i diversi stati topologici di un sistema utilizzando firme di conduttanza anomale. I ricercatori di Würzburg attribuiscono questo particolare comportamento dei QPC topologici analizzati alla fisica dei sistemi elettronici unidimensionali.

Elettroni interagenti in una dimensione

Se le correlazioni elettroniche vengono analizzate in una dimensione spaziale, gli elettroni si muovono, a differenza di due o tre dimensioni spaziali, in modo ben ordinato perché non c'è possibilità di "sorpassare" l'elettrone principale. Pittoricamente parlando, gli elettroni in questo caso si comportano come perle su una catena.

Questa proprietà speciale dei sistemi unidimensionali porta a fenomeni fisici interessanti. Trauzettel afferma:"L'interazione tra una forte interazione di Coulomb e l'accoppiamento spin-orbita è rara in natura. Mi aspetto quindi che questo sistema produca scoperte fondamentali nei prossimi anni".

Prospettive per la ricerca futura

I QPC topologici sono un componente elementare per molte applicazioni che sono state previste in teoria negli ultimi anni.

Un esempio particolarmente evidente di questo tipo è la possibile realizzazione di fermioni di Majorana, che il fisico italiano Ettore Majorana aveva predetto nel 1937. A queste eccitazioni è attribuito un promettente potenziale applicativo in relazione ai computer quantistici topologici.

Per questo scopo, è di grande importanza non solo rilevare i fermioni di Majorana, ma anche essere in grado di controllarli e manipolarli a piacimento. Il QPC topologico, implementato per la prima volta presso JMU Würzburg, offre una prospettiva entusiasmante in questo senso.