Scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno riportato il primo confronto diretto della polarizzazione di spin generata negli stati di Dirac topologicamente protetti di un seleniuro di bismuto isolante (TI) topologico (Bi2Se3) e il banale gas di elettroni bidimensionale (2DEG) stati sulla superficie dell'arseniuro di indio (InAs).

Il team di ricerca dell'NRL ha selezionato i due materiali per distinguere chiaramente i contributi di polarizzazione dagli stati di superficie di Dirac lineare e parabolico 2DEG. Strutture e misurazioni identiche del dispositivo sono state eseguite su ciascuno:Bi2Se3, un isolante topologico noto per avere sia Dirac lineare che stati superficiali 2DEG banali; e InAs, un semiconduttore comune che mostra solo i banali stati superficiali 2DEG.

In ogni caso, la polarizzazione di spin è generata spontaneamente da una corrente di polarizzazione non polarizzata, e rilevato utilizzando contatti metallici ferromagnetici con una barriera a tunnel di ossido. I ricercatori hanno dimostrato che il segno della polarizzazione di spin di questi due contributi è opposto, confermando le previsioni teoriche e stabilendo InAs come campione di riferimento comune per esperimenti futuri.

Il team ha anche sviluppato un modello dettagliato basato su potenziali elettrochimici dipendenti dallo spin per derivare esplicitamente il segno della tensione di spin prevista per gli stati di superficie TI, che corrobora le loro osservazioni sperimentali e le precedenti previsioni teoriche.

"Rilevare questa polarizzazione di spin direttamente come una tensione, e differenziando i contributi di questi due sistemi fondamentalmente diversi, è la chiave per comprendere le proprietà di base dei materiali TI e interfacciarli ai circuiti elettronici per le future applicazioni dei dispositivi", osserva la dott.ssa Connie Li, autore principale dello studio. Dottor Berend Jonker, scienziato senior e ricercatore principale, sottolinea "La coesistenza di questi stati 2DEG nei sistemi TI ha generato notevoli controversie nel segno della tensione di spin misurata. InAs fornisce un'ampia disponibilità, campione di riferimento semplicemente preparato che i gruppi di ricerca di tutto il mondo possono utilizzare per confrontare misure di polarizzazione simili in futuro".

Gli isolanti topologici costituiscono una nuova fase quantistica della materia in cui la massa è nominalmente un isolante, ma lo strato superficiale è occupato da stati metallici a dispersione lineare popolati da fermioni di Dirac privi di massa che sono topologicamente protetti dalle perturbazioni del loro ambiente. L'esistenza di questa classe di materiali è stata prevista dallo studio della "topologia, " una branca della matematica che descrive proprietà che cambiano solo gradualmente. Il Premio Nobel per la Fisica 2016 è stato assegnato a tre fisici per aver utilizzato concetti topologici per studiare fasi esotiche della materia che manifestano nuove proprietà quantistiche che potrebbero migliorare l'elettronica futura, superconduttori, e portare ai computer quantistici.

Una delle proprietà più sorprendenti degli isolanti topologici è quella del blocco spin-momento:lo spin di un elettrone nello stato superficiale di TI Dirac è bloccato ad angolo retto rispetto al suo momento. Ciò implica di conseguenza che quando una corrente di carica non polarizzata scorre negli stati di superficie topologicamente protetti, una polarizzazione di spin dell'elettrone netto dovrebbe apparire spontaneamente.

L'accesso elettrico a questi stati è talvolta complicato dal potenziale piegamento della banda sulla superficie TI che può portare all'accumulo di carica e alla formazione di stati banali 2DEG con dispersione di energia parabolica. Questi stati 2DEG si annidano all'interno e coesistono con gli stati lineari di Dirac, e può anche generare una polarizzazione di spin dovuta al forte accoppiamento spin-orbita di Rashba, una scissione delle bande di spin dipendente dal momento in sistemi di materia condensata bidimensionale. La loro struttura a rotazione elicoidale, o segno della polarizzazione indotta, però, si prevede che sia opposto a quello degli stati di TI Dirac, e con magnitudo minore.

La scoperta del team è un passo essenziale nella manipolazione elettrica degli spin nei dispositivi quantistici basati su TI e accoppiamento spin-orbita di nuova generazione.