A sinistra:immagine STM che mostra la topografia di Na 3 Bi campione. A destra:densità di stati che mostrano un minimo nel punto di Dirac E D . Credito:FLEET
Uno studio condotto dall'Australia utilizza un "trucco" del microscopio a scansione di tunnel per mappare la struttura elettronica in Na 3 Bi, cercando una risposta alla mobilità degli elettroni estremamente elevata di quel materiale.
Nello studio del semimetallo topologico di Dirac, il team ha scoperto che gli effetti di scambio e correlazione sono cruciali per la velocità degli elettroni, e quindi mobilità, e quindi all'uso di questa entusiasmante classe di materiali nella futura elettronica a bassissima energia.
Ad oggi, poco si sa circa la dispersione della banda di Na 3 Bi nella banda di conduzione (sopra il livello di Fermi), anche se ci sono stati accenni allettanti che la velocità effettiva degli elettroni è molto più grande delle previsioni teoriche.
"Abbiamo coltivato pellicole sottili di Na 3 Bi e ha studiato la loro struttura a bande tramite interferenza di quasiparticelle, " dice l'autore principale Dr. Iolanda di Bernardo.
"I nostri calcoli hanno rivelato che per comprendere le velocità sperimentali estremamente elevate dei portatori di carica, in particolare nella banda di conduzione, gli effetti di scambio e di correlazione sono cruciali."
Trucchi intelligenti e sorprese
I semimetalli di Dirac topologici possono essere considerati come le controparti 3-D del grafene:intorno al livello di Fermi (dove "solitamente" siedono gli elettroni di conduzione) mostrano la stessa dispersione di banda lineare del grafene, il che significa che i loro elettroni sono virtualmente privi di massa.
Questo, naturalmente, si traduce in una conducibilità estremamente elevata, e in questo caso, avviene in tutte e tre le direzioni nello spazio.
Questa dispersione di banda lineare è stata prevista per Na 3 Bi, ma mancava ancora una corretta mappatura della banda di conduzione per questo materiale.
Misurare la struttura a bande dei materiali al di sopra del livello di Fermi è, infatti, non è un compito banale, principalmente perché gli elettroni non occupano in genere questi stati.
Uno dei pochi modi in cui ciò può essere ottenuto è utilizzando un trucco basato sulla spettroscopia a effetto tunnel:
La forma circolare dei contorni di energia costante (mappati nello spazio reciproco) corrispondono alle sezioni coniche di un cono di Dirac. Credito:FLEET
"Acquisiamo 'mapping' della corrente di tunneling quantistico tra la punta e il campione con polarizzazioni diverse, " spiega Iolanda.
I derivati di queste mappature mostrano modelli molto tipici, originato dalla dispersione degli elettroni con il disordine nel campione.
Questo processo di diffusione mescola elettroni che si trovano sugli stessi contorni di energia costante nello spazio reciproco, che è reso visibile prendendo una trasformata di Fourier delle mappature.
"Nel nostro caso, questo ha prodotto cerchi corrispondenti a tagli lungo una dispersione simile a un cono di Dirac." (vedi figura).
Questa tecnica di analisi ha permesso al team di ricostruire la dispersione (lineare) della banda nel materiale ed estrarre le velocità dei portatori di carica, sia nella banda di valenza che in quella di conduzione.
Ma quando queste dispersioni di banda misurate sono state confrontate con le previsioni teoriche, c'era un problema:le velocità misurate per la conduzione più bassa e le bande di valenza erano significativamente più alte delle previsioni teoriche.
Però, il team ha trovato un modo per migliorare significativamente l'accordo tra misurazione e teoria:
"Abbiamo utilizzato modelli sempre più complicati per descrivere il nostro sistema, e abbiamo scoperto che mentre miglioravamo il trattamento del potenziale di scambio e correlazione nel modello (passando dai metodi PBE a GW), potremmo avvicinarci ai valori sperimentali, anche se abbiamo ancora osservato alcune discrepanze, " spiega Iolanda.
Sebbene l'origine di queste interazioni inaspettatamente forti non sia ancora chiara, il nuovo studio dimostra che sono probabili effetti di correlazione di scambio alla base dell'alta velocità degli elettroni in Na 3 Bi.
Comprendere le mobilità ultra elevate dei portatori nei semimetalli Dirac topologici è un passo avanti verso l'implementazione di successo di questi materiali nei dispositivi per l'elettronica a bassa energia.
Lo studio, dal titolo "Importanza delle interazioni per la struttura a bande del semimetallo topologico Dirac Na 3 Bi, " è stato pubblicato nel luglio 2020 in Revisione fisica B .
