I fisici dell'Università di Würzburg hanno fatto una scoperta sorprendente in un tipo specifico di isolanti topologici. L'effetto è dovuto alla struttura dei materiali utilizzati. I ricercatori hanno ora pubblicato il loro lavoro sulla rivista Scienza .

Gli isolanti topologici sono attualmente il tema caldo della fisica secondo il quotidiano Neue Zürcher Zeitung. Solo poche settimane fa, la loro importanza è stata nuovamente evidenziata quando la Royal Swedish Academy of Sciences di Stoccolma ha assegnato il Premio Nobel per la Fisica di quest'anno a tre scienziati britannici per le loro ricerche sulle cosiddette transizioni di fase topologiche e sulle fasi topologiche della materia.

Isolanti topologici sono allo studio anche presso i Dipartimenti di Fisica Sperimentale II e Fisica Teorica I dell'Università di Würzburg. Però, si concentrano su una versione speciale di isolanti chiamati isolanti cristallini topologici (TCI). In collaborazione con l'Accademia polacca delle scienze di Varsavia e l'Università di Zurigo, I fisici di Würzburg hanno ora raggiunto un importante passo avanti. Sono stati in grado di rilevare nuovi stati elettronici della materia in questi isolanti. I risultati del loro lavoro sono pubblicati nell'ultimo numero di Scienza .

Bordi di gradino elettroni diretti

Il risultato centrale:quando i materiali cristallini vengono scissi, piccole terrazze atomicamente piatte emergono in corrispondenza delle superfici scisse che sono separate l'una dall'altra da bordi a gradini. All'interno di queste strutture, si formano canali conduttivi per le correnti elettriche che sono estremamente stretti a circa 10 nm e sorprendentemente robusti contro i disturbi esterni. Gli elettroni viaggiano su questi canali conduttivi con spin diverso in direzioni opposte - simile a un'autostrada con corsie separate per le due direzioni. Questo effetto rende i materiali interessanti per applicazioni tecnologiche in futuri componenti elettronici come computer ultraveloci ed efficienti dal punto di vista energetico.

"I TCI sono relativamente semplici da produrre e sono già diversi dai materiali convenzionali a causa della loro speciale struttura cristallina, " Il Dr. Paolo Sessi spiega il background del documento pubblicato di recente. Sessi è un ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale II e l'autore principale dello studio. Inoltre, questi materiali devono la loro qualità speciale alle loro proprietà elettroniche:nei materiali topologici, la direzione dello spin determina la direzione in cui viaggiano gli elettroni. In poche parole, lo "spin" può essere interpretato come un dipolo magnetico che può puntare in due direzioni ("su" e "giù"). Di conseguenza, gli elettroni con spin verso l'alto nei TCI si muovono in una direzione e gli elettroni con spin verso il basso nell'altra direzione.

Riguarda il numero di strati atomici

"Ma in precedenza gli scienziati non sapevano come produrre i canali conduttivi necessari a tal fine, "dice il professor Matthias Bode, Capo del Dipartimento di Fisica Sperimentale II e coautore dello studio. È stato un caso che ora ha portato i ricercatori sulla strada giusta:hanno scoperto che canali conduttivi molto stretti si verificano naturalmente durante la scissione del seleniuro di piombo e stagno (PbSnSe), un isolante cristallino.

I bordi dei gradini sulle superfici dei frammenti causano questo fenomeno. Possono essere ripresi utilizzando una microscopia a effetto tunnel a scansione ad alta risoluzione, o più precisamente, l'altezza dei bordi dei gradini corrispondenti. "I bordi che collegano un numero pari di strati atomici sono totalmente poco appariscenti. Ma se i bordi si estendono su un numero dispari di strati atomici, viene creata una piccola area di circa 10 nm di larghezza che ha le proprietà dei canali conduttivi elettronici che stavamo cercando, "Spiega Sessi.

Il motivo si interrompe sul bordo

Supportati dai loro colleghi del Dipartimento di Fisica Teorica I e dell'Università di Zurigo, i fisici sperimentali riuscirono a far luce sull'origine di questi nuovi stati elettronici. Per comprendere il principio, è richiesto un po' di senso spaziale:

"La struttura cristallina provoca una disposizione degli atomi in cui i diversi elementi si alternano come i quadrati bianchi e neri su una scacchiera, " Spiega Matthias Bode. Questo schema alternato in bianco e nero si applica sia ai quadrati adiacenti che ai quadrati situati sotto e sopra l'altro.

Quindi se la fessura di questo cristallo attraversa diversi strati atomici, lì viene creato più di un bordo. Visto dall'alto, i quadrati bianchi possono anche confinare con altri quadrati bianchi lungo questo bordo e i quadrati neri con altri quadrati neri - o atomi identici con atomi identici. Però, questo funziona solo se un numero dispari di strati atomici è responsabile della differenza di altezza delle due superfici.

Supportato da calcoli

"I calcoli mostrano che questo offset in superficie è in realtà la causa di questi nuovi stati elettronici, " dice Paolo Sessi. Inoltre, dimostrano che il fenomeno dei canali conduttivi spin-dipendenti, caratteristica dei materiali topologici, si verifica anche qui.

Secondo gli scienziati, questa proprietà in particolare rende la scoperta rilevante per potenziali applicazioni, perché tali canali conduttivi causano da un lato una bassa perdita di conduzione e dall'altro possono essere utilizzati direttamente per trasmettere ed elaborare informazioni nel campo della spintronica.

Però, è necessario rispondere a diverse domande e superare le sfide prima che questo diventi realtà. Ad esempio, gli scienziati non sono ancora sicuri su quali distanze possano essere trasportate le correnti nei canali conduttivi appena scoperti. Anche, per essere implementato in circuiti, dovrebbero essere sviluppati metodi che permettano di creare bordi di gradini di un'altezza definita lungo direzioni specificate.