Un team internazionale di ricercatori ha creato una nuova struttura che consente la messa a punto delle proprietà topologiche in modo da attivare o disattivare questi comportamenti unici. La struttura potrebbe aprire possibilità per nuove esplorazioni sulle proprietà degli stati topologici della materia.

"Questa è una nuova entusiasmante direzione nella ricerca sulla materia topologica, " ha detto il signor Zahid Hasan, professore di fisica alla Princeton University e ricercatore al Lawrence Berkeley National Laboratory in California che ha guidato lo studio, che è stato pubblicato il 24 marzo sulla rivista Progressi scientifici . "Stiamo progettando nuovi stati topologici che non si verificano naturalmente, aprendo numerose possibilità esotiche per controllare i comportamenti di questi materiali."

La nuova struttura è costituita da strati alternati di topologico e normale, o banale, isolanti, un'architettura che consente ai ricercatori di attivare o disattivare il flusso di corrente attraverso la struttura. La capacità di controllare la corrente suggerisce possibilità per circuiti basati su comportamenti topologici, ma forse ancora più importante presenta una nuova struttura del reticolo cristallino artificiale per lo studio dei comportamenti quantistici.

Le teorie alla base delle proprietà topologiche della materia sono state oggetto del Premio Nobel 2016 per la fisica assegnato a F. Duncan Haldane dell'Università di Princeton e ad altri due scienziati. Una classe di materia sono gli isolanti topologici, che sono isolanti all'interno ma permettono alla corrente di fluire senza resistenza sulle superfici.

Nella nuova struttura, le interfacce tra gli strati creano un reticolo unidimensionale in cui possono esistere stati topologici. La natura unidimensionale del reticolo può essere pensata come se si tagliasse il materiale e si rimuovesse una fetta molto sottile, e poi guarda il bordo sottile della fetta. Questo reticolo unidimensionale assomiglia a una catena di atomi artificiali. Questo comportamento è emergente perché si verifica solo quando molti strati sono impilati insieme.

Modificando la composizione degli strati, i ricercatori possono controllare il salto di particelle simili agli elettroni, chiamati fermioni di Dirac, attraverso il materiale. Per esempio, rendendo il banale strato isolante relativamente spesso - ancora solo circa quattro nanometri - i fermioni di Dirac non possono attraversarlo, rendendo di fatto l'intera struttura un banale isolante. Però, se il banale strato isolante è sottile - circa un nanometro - i fermioni di Dirac possono passare da uno strato topologico all'altro.

Per modellare i due materiali, il team di Princeton ha lavorato con i ricercatori della Rutgers University guidati da Seongshik Oh, professore associato di fisica, che in collaborazione con Hasan e altri ha mostrato nel 2012 in un lavoro pubblicato su Lettere di revisione fisica che aggiungendo indio a un isolante topologico, seleniuro di bismuto, ha fatto sì che diventasse un banale isolante. Prima di quel seleniuro di bismuto (Bi2Se3) è stato identificato teoricamente e sperimentalmente come isolante topologico dal team di Hasan che è stato pubblicato in Natura nel 2009.

"Lo avevamo dimostrato, a seconda di quanto indio aggiungi, il materiale risultante aveva questa bella proprietà sintonizzabile da banale a isolante topologico, "Oh detto, riferimento allo studio del 2012.

Gli studenti laureati Ilya Belopolski di Princeton e Nikesh Koirala di Rutgers hanno combinato due tecniche all'avanguardia con lo sviluppo di una nuova strumentazione e hanno lavorato insieme alla stratificazione di questi due materiali, seleniuro di bismuto e seleniuro di bismuto di indio, per progettare la struttura ottimale. Una delle sfide è stata far combaciare le strutture reticolari dei due materiali in modo che i fermioni di Dirac possano saltare da uno strato all'altro. Belopolski e Suyang Xu hanno lavorato con i colleghi dell'Università di Princeton, Lawrence Berkeley National Laboratory e diverse istituzioni per utilizzare la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo ad alta risoluzione per ottimizzare il comportamento dei fermioni di Dirac in base a un ciclo di feedback da crescita a misurazione.

Sebbene non esistano stati topologicamente simili in natura, i ricercatori notano che un comportamento analogo può essere trovato in una catena di poliacetilene, che è un modello noto di comportamento topologico unidimensionale come descritto dal modello teorico di Su-Schrieffer-Heeger del 1979 di un polimero organico.

La ricerca presenta un'incursione nella realizzazione di materiali topologici artificiali, disse Hasan. "In natura, qualunque sia un materiale, isolante topologico o meno, sei bloccato con quello, " Hasan ha detto. "Qui stiamo sintonizzando il sistema in un modo che possiamo decidere in quale fase dovrebbe esistere; possiamo progettare il comportamento topologico."

La capacità di controllare il viaggio dei fermioni di Dirac simili alla luce potrebbe portare i futuri ricercatori a sfruttare il flusso di corrente senza resistenza osservato nei materiali topologici. "Questi tipi di eterostrutture topologicamente sintonizzabili sono un passo verso le applicazioni, realizzare dispositivi in ​​cui è possibile utilizzare effetti topologici, "ha detto Hasan.

Il gruppo Hasan prevede di esplorare ulteriormente i modi per regolare lo spessore ed esplorare gli stati topologici in relazione all'effetto Hall quantistico, superconduttività, magnetismo, e gli stati fermionici della materia di Majorana e Weyl.