In una nuova sorprendente scoperta, alfa-stagno, comunemente chiamato stagno grigio, mostra una nuova fase elettronica quando la sua struttura cristallina è tesa, inserendolo in una nuova classe rara di materiali 3D chiamati semimetalli Dirac topologici (TDS). Si sa che esistono solo altri due materiali TDS, scoperto di recente, nel 2013. Alpha-tin ora si unisce a questa classe come unico membro semplice.

Questa scoperta è promettente per una nuova fisica e molte potenziali applicazioni nella tecnologia. I risultati sono opera di Caizhi Xu, uno studente laureato in fisica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, lavorando sotto l'Università di I. Professor Tai-Chang Chiang e in collaborazione con scienziati dell'Advanced Light Source presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e altre sei istituzioni a livello internazionale.

I TDS mostrano proprietà elettroniche simili a quelle degli isolanti topologici (TI) ora molto studiati sulle loro superfici. Le superfici dei TI consentono agli elettroni di condurre liberamente come un metallo, mentre il "bulk" o interno si comporta da isolante. Gli elettroni di superficie si comportano come fermioni di Dirac polarizzati con spin senza massa 2D che sono robusti contro le impurità non magnetiche, che offre potenziali applicazioni nei dispositivi spintronici e nel calcolo quantistico tollerante ai guasti.

Al contrario, gli elettroni bulk nei TDS si comportano come fermioni di Dirac senza massa in tutte e tre le dimensioni, che porta a ulteriori possibilità per nuovi comportamenti fisici.

Xu spiega, "I TDS sono di profondo interesse per i fisici della materia condensata, principalmente perché esibiscono una serie di nuove proprietà fisiche, compresa la mobilità ultraelevata dei vettori, magnetoresistenza lineare gigante, anomalia chirale, e nuove oscillazioni quantistiche. In secondo luogo, questa classe di materiali può realizzare molte fasi topologiche interessanti, in condizioni controllate, il materiale può subire transizioni di fase e può diventare un isolante topologico, un semimetallo Weyl, o un superconduttore topologico."

Lo stagno ha due noti allotropi:a 13,2° Celsius e oltre, latta bianca, o beta-stagno, è metallico. Al di sotto di quella temperatura, la struttura atomica delle transizioni dello stagno, e la materia diventa stagno grigio, o alfa-stagno, che è semi-metallico. In film sottili cresciuti su un substrato come l'antimonide di indio (InSb), però, la temperatura di transizione dello stagno arriva fino a 200° C, il che significa che l'alfa-stagno rimane stabile ben al di sopra della temperatura ambiente.

Normalmente, La struttura cristallina cubica di diamante dell'alfa-stagno mostra una normale fase semi-metallica e il materiale non ha usi comuni al momento. Infatti, lo stagno grigio può essere problematico in molte applicazioni che coinvolgono lo stagno - il cosiddetto problema dei "parassiti dello stagno" è la formazione di stagno grigio che provoca la disgregazione delle parti contenenti stagno bianco.

Nel loro esperimento, Xu et al. progettato un ceppo sul materiale coltivando campioni di alfa-stagno in strati su un substrato di un altro materiale cristallino, InSb, che ha una costante reticolare leggermente diversa.

"Quel disallineamento del reticolo porta alla tensione, o compressione, nell'alfa-stagno, " Xu continua a spiegare. "Si credeva che il ceppo avrebbe aperto una banda proibita nello stagno grigio e lo avrebbe trasformato in un TI. In alcuni studi recenti i ricercatori hanno osservato stati superficiali topologici in stagno teso, ma non hanno osservato il band gap indotto dalla deformazione perché non erano in grado di accedere alla banda di conduzione. In questo studio, abbiamo usato il drogaggio del potassio e con questo semplice metodo siamo riusciti a raggiungere la banda di conduttanza. Siamo stati in grado di vedere la dispersione di banda lineare e gapless che è il segno distintivo di un semimetallo Dirac.

"Questa scoperta è un po' inaspettata. Ho deciso di studiare il materiale a causa della sua nota fase TI. Dopo aver approfondito i risultati sperimentali ed eseguito alcuni calcoli teorici, quello che ho scoperto è che l'alfa-stagno sotto sforzo di compressione non è un isolante, come si era pensato. Risulta essere un semimetallo Dirac. I nostri calcoli mostrano anche che è solo sotto uno sforzo di trazione che l'alfa-stagno diventa un TI".

Chiang crede che questi risultati apriranno nuove strade di ricerca:"Il lavoro di Caizhi Xu illustra che è ancora possibile trovare una nuova fisica interessante in semplici materiali comuni, come la latta grigia, che è stato conosciuto e studiato per decenni."

"È chiaro da questo studio che l'ingegneria delle deformazioni può aprire molte possibilità, " Chiang continua. "Il mio gruppo sta attualmente esplorando un modo diverso di applicare la tensione, allungando meccanicamente un campione. La deformazione sarà uniassiale, lungo una sola direzione, e sarà sintonizzabile, ma limitato dalla rottura del campione."

L'umanità ha estratto e utilizzato lo stagno in leghe fin dall'età del bronzo, C. 3000 aC. Prima dell'avvento delle lattine di alluminio, lattine, che erano in realtà acciaio rivestito di stagno, servivano per la conservazione degli alimenti. Con questa scoperta, alfa-stagno può rivelarsi un materiale molto utile nelle tecnologie future.

Xu condivide, "Le potenziali applicazioni dell'alfa-stagno come semimetallo Dirac topologico potrebbero includere lo sfruttamento della sua elevata mobilità del vettore per generare dispositivi elettronici ultraveloci. Inoltre, la gigante resistenza al magnete potrebbe essere utile nello sviluppo di dispositivi di archiviazione ultracompatti, come i dischi rigidi dei computer.

"Per di più, questo materiale potrebbe essere una piattaforma per ulteriori ricerche fondamentali relative alle proprietà ottiche, o per trasportare proprietà, compresa la superconduttività. Esiste persino la possibilità che possa essere utilizzato come piattaforma per realizzare fermioni di Majorana. Credo che la nostra nuova scoperta interesserà molti fisici".

Questi risultati sono pubblicati nel 4 aprile, 2017 Lettere di revisione fisica , nell'articolo "Elemental topological Dirac semimetal α-Sn on InSb."