Gli isolanti topologici tridimensionali sono materiali che possono condurre corrente elettrica senza resistenza, ma solo sulla loro superficie. Però, questo effetto è difficile da misurare. Questo perché questi materiali hanno solitamente poca superficie in relazione al loro volume, il che significa che le loro proprietà di trasporto sono dominate da vettori di carica alla rinfusa.

I fisici dell'Università di Bielefeld sono ora riusciti a sviluppare isolanti topologici basati su minuscole nanoparticelle e sono stati quindi in grado di dimostrare il trasporto di carica sulla superficie. Lo studio è stato condotto in collaborazione con ricercatori dell'Università di Duisburg-Essen e del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research di Dresda. Gli scienziati hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Piccolo .

Gli isolanti topologici hanno proprietà che possono essere descritte solo dalla fisica quantistica. La particolarità di questi materiali quantistici è che la loro massa non conduce affatto elettricità o solo molto male, mentre i portatori di carica possono muoversi senza interferenze nei canali di trasporto protetti sulla loro superficie. Il tellururo di bismuto composto è un materiale con tali canali di trasporto protetti.

"Campioni macroscopicamente grandi di questi isolanti topologici tridimensionali, però, hanno un volume molto elevato rispetto alla loro superficie. Di conseguenza, ci sono molti più portatori di carica alla rinfusa, il che significa che il loro scarso trasporto di carica domina sul trasporto di carica sulla superficie, " afferma il professor Dr. Gabi Schierning del gruppo di ricerca Thin Films and Physics of Nanostructures dell'Università di Bielefeld. "Anche se le proprietà di trasporto speciali degli isolanti topologici tridimensionali sono previste in teoria, è difficile esaminarli negli esperimenti."

Per aggirare questo problema, gli scienziati stanno usando le nanoparticelle. Poiché queste particelle sono così piccole, hanno una grande superficie in relazione al loro volume. Schierning e i suoi colleghi hanno ora compresso nanoparticelle di tellururo di bismuto in pellet larghi cinque millimetri e spessi 0,5 millimetri e hanno prodotto un isolante topologico tridimensionale composto da nano unità.

Campioni di materiale macroscopico con numerose interfacce

"Con questo trucco, siamo riusciti a creare campioni di materiale macroscopico con un elevato numero di interfacce e superfici. Il nostro studio mostra che i portatori di carica protetti su queste superfici possono essere esaminati e che la corrente elettrica è condotta molto bene lì, "dice Sepideh Izadi, uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Schierning e autore principale dello studio. Schierning aggiunge che "il loro design speciale del materiale ci ha permesso di scoprire proprietà che conosciamo dalla teoria ma che non potevamo vedere prima. Questo è ciò che rende il lavoro così speciale per me".

Lo studio è stato condotto in stretta collaborazione con scienziati dell'Università di Duisburg-Essen e dell'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali di Dresda. Primo, i campioni di materiale sono stati preparati nel gruppo di ricerca del professor Dr. Stephan Schulz dell'Università di Duisburg-Essen. Ciò ha richiesto molto lavoro:le nanoparticelle devono avere superfici molto pulite, Per esempio, e non reagire con l'ambiente. "Devono anche essere uniti in modo che si attacchino l'uno all'altro, come costruire un castello di sabbia, ma allo stesso tempo, non devono essere così compattati da perdere i canali di trasporto protetti sulle interfacce, "dice Schierning.

I ricercatori hanno quindi utilizzato vari metodi per studiare il trasporto di carica sulle interfacce e sulle superfici. Insieme ai colleghi del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research di Dresda, Per esempio, gli scienziati di Bielefeld hanno misurato quanto bene il campione di materiale conduce la corrente in diverse condizioni, ad esempio a diverse temperature o con diversi campi magnetici. "I risultati sono una chiara indicazione dei meccanismi di trasporto di un isolante topologico tridimensionale, "dice Schierning.

Le indagini sono state completate dalla spettroscopia terahertz, di cui era responsabile il gruppo di ricerca del professor Dr. Martin Mittendorff dell'Università di Duisburg-Essen. In questo processo, il campione viene eccitato con onde elettromagnetiche nell'intervallo dei terahertz e viene misurata la radiazione riflessa. Qui, pure, sono stati osservati fenomeni speciali che si verificano solo negli isolanti topologici tridimensionali e anche a temperature fino a circa meno 70 gradi Celsius, temperature piuttosto elevate per un tale effetto.

"Il nostro studio mostra che gli isolanti topologici tridimensionali possono essere realizzati su scala macroscopica e mostrare le loro proprietà a temperature relativamente elevate. Questo è un passo significativo nella ricerca fondamentale, e uno che potrebbe anche essere importante per potenziali applicazioni, ma siamo ancora molto lontani da quello, " dice Schierning. Gli isolanti topologici tridimensionali potrebbero essere usati nei computer quantistici, Per esempio.