Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology verificano sperimentalmente l'esistenza di stati di conduzione superficiale esotici nei semimetalli topologici (TSM), materiali che si trovano al confine tra conduttori e isolanti, eseguendo scansioni di tensione di questi stati superficiali su un campione di film sottile di un TSM. I risultati possono aprire la strada a futuri studi e sfruttamento di tali stati di conduzione nella realizzazione di nuovi, fenomeni di trasporto quantistico.

Probabilmente tutti noi abbiamo familiarità con l'idea di conduttori e isolanti. Ma come chiameresti un materiale che può condurre in superficie ma isolare all'interno? I fisici lo chiamano un "isolatore topologico" (TI), un termine che evidenzia l'aspetto geometrico del suo strano comportamento di conduzione. Ancora più strani dei TI sono i "semimetalli topologici" (TSM), materiali bizzarri che si trovano a cavallo del confine tra metalli (conduttori) e isolanti.

Mentre i TI hanno trovato applicazioni pratiche grazie alle loro proprietà insolite, in particolare nei dispositivi optoelettronici avanzati, I TSM sono ancora in gran parte una curiosità tra gli scienziati dei materiali. "Nelle TI, gli stati di conduzione superficiale possono essere isolati dagli stati isolanti di massa, mentre nei tipici TSM, come i semimetalli Dirac e Weyl, gli stati di massa e di superficie si toccano in punti chiamati 'nodi di Weyl, ' portando a un'interazione tra loro, " spiega il professore associato Masaki Uchida del Tokyo Institute of Technology, Giappone, la cui ricerca è focalizzata sui materiali topologici.

Secondo previsioni teoriche, un'interessante conseguenza di tale interazione è la formazione di una coppia accoppiata di "orbite di Weyl" elettroniche sotto un campo magnetico su superfici opposte di un TSM che può portare a un nuovo trasporto quantistico 2D. Però, la verifica sperimentale delle orbite di Weyl ha, finora, è rimasto impegnativo a causa dell'apparente mancanza di una firma univoca. Ora, un nuovo studio di un team di scienziati giapponesi, guidato dal dottor Uchida, potrebbe cambiare tutto questo.

Pubblicato in Comunicazioni sulla natura , lo studio si concentra sulla distribuzione spaziale unica delle orbite di Weyl. Nello specifico, gli scienziati hanno effettuato una mappatura degli stati "Quantum Hall" (QH) dell'orbita di Weyl sotto l'influenza di tensioni elettriche applicate sulla superficie superiore e inferiore di un campione TSM comprendente un film di 75 nm di (Cd _1-x Zn _X ) ₃ Come ₂ . "L'osservazione chiave per distinguere l'orbita di Weyl da un'orbita simile a TI è la risposta del trasporto di superficie ai campi elettrici applicati in una configurazione del dispositivo a doppia porta, " dice il dottor Uchida.

Gli scienziati hanno iniziato studiando la dipendenza dal campo magnetico della resistenza del film a tensioni di gate zero a una temperatura di 3K (270°C) e si sono assicurati che il film fosse abbastanza spesso da consentire la formazione delle orbite di Weyl. Inizialmente, il trasporto di massa dominava la conduzione a causa di un'elevata densità di elettroni. Però, mentre gli scienziati esaurivano gli elettroni applicando tensioni di gate, il trasporto di superficie e la sua evoluzione negli stati QH sono diventati più importanti.

Prossimo, gli scienziati hanno studiato l'influenza delle scansioni del voltaggio di gating su questi stati QH in presenza di un forte campo magnetico e hanno osservato un peculiare motivo a strisce negli stati mappati a causa di una modulazione della loro densità elettronica, suggerendo la presenza di una coppia orbitale Weyl accoppiata!

Il team di ricerca è entusiasta di questa scoperta. Un eccitato Dr. Uchida conclude, "Il nostro lavoro che rivela il ruolo della distribuzione unica delle orbite di Weyl nel trasporto quantistico può aprire le porte alla scoperta di vari fenomeni di trasporto di superficie esotici nei TSM e al loro controllo tramite campi esterni e ingegneria delle interfacce".

La caccia a questi nuovi fenomeni quantistici è iniziata, con nuove ed entusiasmanti scoperte proprio dietro l'angolo.