Ricercatori a Princeton, Yale, e l'Università di Zurigo hanno proposto un approccio basato sulla teoria per caratterizzare una classe di metalli che possiedono proprietà elettroniche esotiche che potrebbero aiutare gli scienziati a trovarne altri, materiali di analoga dotazione.

Pubblicato sulla rivista Revisione fisica X , lo studio ha descritto una nuova classe di metalli basata sulla loro simmetria e una classificazione matematica nota come numero topologico, che è predittivo di proprietà elettroniche speciali. I materiali topologici hanno suscitato un intenso interesse di ricerca sin dai primi anni 2000, culminato nel Premio Nobel per la fisica assegnato lo scorso anno a tre fisici, tra cui il professore di Princeton F. Duncan Haldane, per le loro scoperte teoriche in questo campo.

"La classificazione topologica è un modo molto generale di guardare alle proprietà dei materiali, " ha detto Lukas Muechler, uno studente laureato di Princeton nel laboratorio del professor Roberto Car e autore principale dell'articolo.

Un modo popolare di spiegare questa classificazione matematica astratta riguarda gli articoli per la colazione. Nella classificazione topologica, ciambelle e tazzine da caffè sono equivalenti perché entrambi hanno un foro e possono essere facilmente deformati l'uno nell'altro. Nel frattempo le ciambelle non possono deformarsi in muffin, il che le rende inequivalenti. Il numero di fori è un esempio di invariante topologica che è uguale per la ciambella e la tazza di caffè, ma distingue tra la ciambella e il muffin.

"L'idea è che non ti interessi davvero dei dettagli. Finché due materiali hanno gli stessi invarianti topologici, possiamo dire che sono topologicamente equivalenti, " Egli ha detto.

L'interesse di Muechler e dei suoi colleghi per la classificazione topologica di questa nuova classe di metalli è stato suscitato da una singolare scoperta nel vicino laboratorio del professor Robert Cava di Princeton. Durante la ricerca della superconduttività in un cristallo chiamato WTe2, il laboratorio Cava ha invece scoperto che il materiale potrebbe aumentare continuamente la sua resistenza in risposta a campi magnetici sempre più forti - una proprietà che potrebbe essere utilizzata per costruire un sensore di campi magnetici.

L'origine di questa proprietà era, però, misterioso. "Questo materiale ha proprietà molto interessanti, ma non c'era stata alcuna teoria intorno ad esso, " ha detto Müchler.

I ricercatori hanno prima considerato la disposizione degli atomi nel cristallo WTe2. I modelli nella disposizione degli atomi sono noti come simmetrie, e cadono in due classi fondamentalmente diverse - simmorfiche e non simmorfiche - che portano a profonde differenze nelle proprietà elettroniche, come il trasporto di corrente in un campo elettromagnetico.

Mentre WTe2 è composto da molti strati di atomi impilati l'uno sull'altro, Il team di Car ha scoperto che un singolo strato di atomi ha una particolare simmetria non simmorfica, dove la disposizione atomica rimane complessivamente invariata se viene prima ruotata e poi traslata di una frazione del periodo reticolare (vedi figura).

Stabilita la simmetria, i ricercatori hanno caratterizzato matematicamente tutti i possibili stati elettronici aventi questa simmetria, e classificato quegli stati che possono essere facilmente deformati l'uno nell'altro come topologicamente equivalenti, proprio come una ciambella può essere deformata in una tazza.

Da questa classificazione, hanno scoperto che WTe2 appartiene a una nuova classe di metalli che hanno coniato metalli topologici non simmorfici. Questi metalli sono caratterizzati da un numero di elettroni diverso rispetto ai metalli non simmorfici che sono stati precedentemente studiati.

Nei metalli topologici non simmorfici, gli elettroni che trasportano corrente si comportano come particelle relativistiche, cioè particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce. Questa proprietà non è suscettibile alle impurità e ai difetti come i metalli ordinari, rendendoli candidati attraenti per i dispositivi elettronici.

La classificazione topologica astratta ha anche portato i ricercatori a suggerire alcune spiegazioni per alcune delle eccezionali proprietà elettroniche del WTe2 sfuso. soprattutto la sua perfetta compensazione, il che significa che ha un numero uguale di lacune ed elettroni. Attraverso simulazioni teoriche, i ricercatori hanno scoperto che questa proprietà potrebbe essere ottenuta nell'impilamento cristallino tridimensionale dei monostrati WTe2, che è stato un risultato sorprendente, ha detto Muechler.

"Di solito nella ricerca teorica non c'è molto di inaspettato, ma questo è appena uscito, " ha detto. "Questa classificazione astratta ci ha portato direttamente a spiegare questa proprietà. In questo senso, è un modo molto elegante di guardare questo composto e ora puoi effettivamente capire o progettare nuovi composti con proprietà simili".

Recenti esperimenti di fotoemissione hanno anche mostrato che gli elettroni in WTe2 assorbono i fotoni destrorsi in modo diverso rispetto ai fotoni sinistrorsi. La teoria formulata dai ricercatori ha mostrato che questi esperimenti di fotoemissione su WTe2 possono essere compresi in base alle proprietà topologiche di questa nuova classe di metalli.

Negli studi futuri, i teorici vogliono verificare se queste proprietà topologiche sono presenti anche negli strati atomicamente sottili di questi metalli, che potrebbe essere esfoliato da un cristallo più grande per realizzare dispositivi elettronici. "Lo studio di questo fenomeno ha grandi implicazioni per l'industria elettronica, ma è ancora nei suoi anni infantili, " ha detto Müchler.