Questa è la storia di un materiale unico, fatto di un unico composto, conduce gli elettroni in modi diversi sulle sue diverse superfici e non conduce affatto nel suo mezzo. È anche la storia di tre gruppi di ricerca:due al Weizmann Institute of Science e uno in Germania, e il legame unico che si è formato tra loro.

Il materiale appartiene ad un gruppo di materiali noti come isolanti topologici, scoperto un decennio e mezzo fa. Questi materiali sono conduttori sulle loro superfici e isolanti nella loro massa interna. Ma le due proprietà sono inseparabili:tagliare il materiale, e la nuova superficie condurrà, il grosso rimarrà isolante.

Circa cinque anni fa, Il Dr. Nurit Avraham stava iniziando come scienziato del personale nel nuovo gruppo del Dr. Haim Beidenkopf del Dipartimento di Fisica della Materia Condensata dell'Istituto. In quel periodo, lei e Beidenkopf hanno incontrato il Prof. Binghai Yan durante la sua prima visita scientifica all'Istituto Weizmann. Allora, Yan lavorava come capogruppo junior nel gruppo della prof.ssa Claudia Felser, una scienziata dei materiali che stava sviluppando nuovi tipi di materiali topologici nel suo laboratorio presso l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi a Dresda. Beidenkopf e il suo gruppo sono specializzati nella classificazione e misurazione di questi materiali sulla scala dei singoli atomi e sui percorsi dei singoli elettroni, mentre Yan si rivolgeva alla teoria, prevedendo come questi materiali avrebbero dovuto comportarsi ed elaborando i modelli matematici che spiegano il loro comportamento insolito.

Avraham e Beidenkopf erano interessati a scoprire le proprietà di un tipo speciale di isolante topologico in cui la struttura chimica è organizzata in strati. In che modo gli strati influenzerebbero il modo in cui gli elettroni sono stati condotti sulla superficie del materiale? Teoricamente, Ci si aspettava che strati sovrapposti di isolante topologico 2-D formassero un isolante topologico 3-D in cui alcune delle superfici sono conduttrici e alcune sono isolanti. Yan ha suggerito di lavorare con un nuovo materiale da lui previsto e successivamente sviluppato nel laboratorio di Felser. Prossimamente, i gruppi Weizmann e Max Planck hanno iniziato a collaborare.

Avraham ha guidato il progetto, ottenere campioni del materiale dal laboratorio di Felser, effettuare le misurazioni, e lavorare con Yan per vedere se le previsioni teoriche sarebbero state confermate sperimentalmente. Man mano che la collaborazione si approfondiva, Beidenkopf e Avraham convinsero la Facoltà di Fisica a invitare nuovamente Yan all'Istituto, e questa visita alla fine portò Yan a lasciare la Germania ea trasferire la sua famiglia a Rehovot per assumere una posizione nel Dipartimento di Fisica della Materia Condensata dell'Istituto. "Quella decisione è stata un punto di svolta che mi avrebbe messo nel mio attuale percorso di carriera, "dice Yan.

Negli anni a venire, Beidenkopf, Avraham, Yan e Felser avrebbero collaborato a più progetti di ricerca, esplorare le proprietà di diverse classi di materiali topologici. Ma comprendendo questo particolare materiale, un composto di bismuto, tellurio e iodio, si sarebbe rivelato un progetto a lungo termine. Iniziare con, Yan ha analizzato la struttura a bande del materiale, in altre parole, gli stati a cui gli elettroni sono "permessi" di abitare. Quando le bande si incrociano alla rinfusa in uno stato chiamato inversione di banda, impediscono agli elettroni di muoversi all'interno, ma consenti loro di muoversi in superficie. Questa "proiezione" di uno stato che si manifesta nella massa di un materiale sulla superficie è ciò che conferisce ai materiali topologici le loro proprietà speciali.

Avraham e Beidenkopf hanno lavorato con campioni che erano stati scissi, esponendo superfici fresche fuori dalla struttura a strati. Hanno usato un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) nel loro laboratorio per monitorare la densità elettronica nelle diverse parti del materiale. La teoria prevedeva che le misurazioni della superficie avrebbero rivelato un materiale che si comporta come un debole isolante topologico, essendo così metallico sui bordi e isolante sulle superfici superiore ed inferiore. Gli isolanti topologici deboli sono una classe di materiali topologici che erano stati precedentemente previsti, ma non ancora provata sperimentalmente, quindi il gruppo sperava di scoprire tali proprietà caratteristiche sulle superfici dei bordi. I ricercatori hanno fatto, infatti, scoprire che il materiale ha agito come un debole isolante topologico sui suoi lati fessurati. Ma sulle parti superiori e inferiori dei loro campioni, il gruppo ha trovato prove che indicano un forte isolante topologico, piuttosto che l'isolante che era stato previsto.

Potrebbe questo materiale essere non solo allo stesso tempo isolante e conduttore, ma comportarsi in due modi diversi? Mentre i ricercatori continuavano a sperimentare, testare il materiale con metodi diversi e confermarne i risultati originali, continuarono a confondere Yan sugli strani risultati. A un certo punto, dice Abramo, hanno persino misurato un nuovo lotto di campioni che sono stati coltivati ​​indipendentemente dalla Junior Prof. Anna Isaeva e dal Dr. Alexander Zeugner presso la Technische Universitaet Dresden, solo per essere sicuri che i risultati fossero generali e non una proprietà accidentale di un particolare lotto di campioni.

Parte della loro eventuale svolta, dice Yan, è venuto da un documento di ricerca teorica pubblicato da un altro gruppo di fisica che ha ipotizzato come potrebbe funzionare un tale materiale duale. I materiali topologici sono talvolta classificati in base alla loro simmetria, una proprietà della struttura atomica del materiale. Gli scienziati hanno cercato punti sulle superfici in cui tale simmetria si sarebbe rotta a causa di difetti o irregolarità sulla superficie, quale, per dispersione di elettroni, influenzerebbe le proprietà in quel punto ed evidenzierebbe il tipo di simmetria che protegge ogni stato topologico.

Finalmente, teoria ed esperimento si sono uniti per mostrare, in un articolo pubblicato su Materiali della natura , che il materiale è, infatti, due diversi tipi di isolante topologico in uno. Gli strati esposti delle superfici laterali fessurate creano "bordi a gradino" che incanalano gli elettroni in determinati percorsi. Mentre i lati sono protetti sia dall'inversione temporale che dalla simmetria traslazionale, le parti superiori e inferiori sono protette da simmetria a specchio cristallino, dando luogo a uno stato simile al metallo in cui gli elettroni possono muoversi.

Mentre questa combinazione due in uno ha reso difficile classificare il materiale topologicamente, uno degli obiettivi principali di tali misurazioni, i ricercatori ritengono che altri nuovi materiali topologici potrebbero avere proprietà così duplici. Ciò apre la possibilità ai materiali di ingegneria di avere diverse proprietà elettriche desiderate tutte in una.

"Tecnicamente, il lavoro è stato impegnativo, ma la storia, si, si è rivelato semplice, "dice Yan.

"È anche la storia di una grande amicizia e di cosa succede quando si può avere una collaborazione scientifica così stretta, "dice Avraham.

"E tutto è iniziato con una domanda su un particolare tipo di materiale, " aggiunge Beidenkopf.