Durante l'utilizzo di raggi X generati dall'Advanced Light Source (ALS), un impianto di sincrotrone presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia, studiare un materiale termoelettrico contenente bismuto in grado di convertire il calore in elettricità, il fisico M. Zahid Hasan della Princeton University ha visto che qualcosa stava interferendo con la visione anticipata del comportamento degli elettroni all'interno del materiale.

Sapere come si muovono gli elettroni all'interno di questo materiale è stato cercato come una chiave per decifrare come funzionava, quindi questa interferenza, che lui e il suo team hanno osservato più di dieci anni fa durante un esperimento che impiegava una tecnica basata sui raggi X soprannominata ARPES (spettroscopia di fotoemissione risolta dall'angolo) - era un problema... all'inizio.

"Dal 2004, Sono stato coinvolto in questa ricerca alla ricerca di una migliore comprensione dei materiali termoelettrici a base di bismuto, tra l'altro, " disse Hassan.

Intorno al 2007, dopo aver completato più esperimenti a raggi X presso la SLA e altri sincrotroni, e dopo aver acquisito una certa comprensione della teoria relativa alle osservazioni della sua squadra, sarebbe diventato chiaro per Hasan che questo ostacolo era in realtà una scoperta:uno che avrebbe innescato una rivoluzione nella ricerca sui materiali che continua ancora oggi, e questo potrebbe eventualmente portare a nuove generazioni di elettronica e tecnologie quantistiche.

La ricerca sulla materia topologica è ora un fiorente campo di ricerca presso la SLA, con diversi membri dello staff dedicati al supporto delle tecniche a raggi X che si concentrano in gran parte sulle sue proprietà.

"Dal 2005, qualcosa in superficie mi dava un po' fastidio, " disse Hassan, un professore di fisica di Princeton che alla fine del 2016 è diventato un membro della facoltà in visita presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di Miller in visita all'UC Berkeley. "Non riuscivo a sbarazzarmi degli stati di superficie".

Tornato a Princeton, Hasan iniziò una conversazione con un collega professore di fisica, Duncan Haldane, e parlò anche con Charles Kane, un professore di fisica presso la vicina Università della Pennsylvania, per la loro intuizione teorica collettiva sugli effetti di superficie che stava vedendo in alcuni materiali contenenti bismuto. "A quel punto non ero a conoscenza delle previsioni teoriche".

Hanno discusso di lavori teorici, alcuni dei quali risalenti a diversi decenni, che aveva esplorato stati "topologici" bizzarri e resilienti in cui gli elettroni potevano muoversi sulla superficie di un materiale sottile senza quasi alcuna resistenza, come in un superconduttore tradizionale ma con un meccanismo diverso.

Il lavoro teorico ha fornito pochi indizi su come trovare gli effetti nei materiali che esibiscono questo fenomeno, anche se. Così Hasan ha intrapreso un percorso che ha attraversato i campi della teoria quantistica, fisica delle particelle, e matematica complessa.

"Ho dovuto tradurre tutta la matematica astratta in questi esperimenti, " ha detto. "Era come tradurre da una lingua straniera."

Flash forward a ottobre 2016, e questa volta Haldane stava descrivendo il suo primo lavoro teorico durante una conferenza stampa del Premio Nobel. Haldane ha condiviso il Premio Nobel 2016 per la fisica con David Thouless dell'Università di Washington (ex ricercatore post-dottorato al Berkeley Lab), e J. Michael Kosterlitz della Brown University per il loro lavoro in "scoperte teoriche delle transizioni di fase topologiche e delle fasi topologiche della materia".

Haldane aveva detto al momento dell'annuncio del Premio Nobel, "Ho messo nel primo documento che è improbabile che questo sia qualcosa che chiunque potrebbe fare." Il suo lavoro, Egli ha detto, era un "dormiente" che "è rimasto a lungo come un interessante modello giocattolo - nessuno sapeva bene cosa farne".

Ciò che ha contribuito a dare vita a quel "modello giocattolo" sono state le teorie successive di Kane e collaboratori, e studi ARPES innovativi presso la SLA e altri sincrotroni che hanno sondato direttamente gli stati topologici esotici in alcuni materiali.

I sincrotroni come l'ALS hanno dozzine di linee di luce che producono raggi X focalizzati e altri tipi di raggi di luce per una varietà di esperimenti che esplorano le proprietà di materiali esotici e altri campioni su scale minuscole, e ARPES fornisce una finestra sulle proprietà degli elettroni dei materiali.

Il Comitato Nobel, nei suoi materiali di supporto per il premio, aveva citato i primi esperimenti del team di Hasan presso l'ALS su materiali che mostravano fasi di isolamento topologico. Un isolante topologico agisce come un conduttore elettrico sulla superficie e un isolante (senza flusso elettrico) all'interno.

Zahid Hussain, il vice di divisione presso l'ALS ha detto, "Hasan è uno scienziato eccezionale con una profonda comprensione sia della teoria che dell'esperimento. È il motivo per cui questo è diventato visibile sperimentalmente. Un esperimento lo ha fatto".

Il lavoro di Hasan ha fornito una prima dimostrazione di un isolante topologico 3-D, Per esempio.

In questi materiali, il moto dell'elettrone è relativamente robusto, ed è immune a molti tipi di impurità e deformità. I ricercatori hanno trovato esempi di proprietà topologiche nei materiali anche a temperatura ambiente.

Questo è un vantaggio fondamentale rispetto ai cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, che deve essere raffreddato a temperature estreme per ottenere un flusso di elettroni quasi privo di resistenza.

Con materiali topologici, gli elettroni mostrano modelli unici in una proprietà nota come spin elettronico che è analogo a un ago della bussola rivolto verso l'alto o verso il basso, e questa proprietà può cambiare in base al percorso e alla posizione dell'elettrone in un materiale.

Una potenziale applicazione futura per le proprietà di spin degli elettroni nei materiali topologici è la spintronica, un campo emergente che cerca di controllare lo spin on demand per trasmettere e archiviare informazioni, proprio come gli zeri e gli uno nella memoria del computer tradizionale.

Lo spin potrebbe anche essere sfruttato come vettore di informazioni nei computer quantistici, che concettualmente potrebbe eseguire in modo esponenziale più calcoli di un certo tipo in un tempo più breve rispetto ai supercomputer convenzionali.

Jonathan Denlinger, uno scienziato del personale nel gruppo di supporto scientifico presso la SLA, ha affermato che gli studi rivoluzionari sui materiali con comportamento topologico hanno portato a un rapido spostamento dell'attenzione sulle proprietà superficiali dei materiali. I ricercatori sono stati storicamente più interessati agli elettroni all'interno del "bulk, " o all'interno di materiali.

Il gruppo di Hasan ha utilizzato tre linee di luce ALS:MERLIN, 12.0.1, e 10.0.1—in studi pionieristici di ARPES sulla materia topologica. Hasan è stato co-leader nella proposta che ha portato alla costruzione di MERLIN nei primi anni 2000.

Denlinger, e gli altri scienziati dello staff della SLA Alexei Fedorov e Sung-Kwan Mo, lavorare su queste linee di luce ALS, specializzati in ARPES e in una variante correlata chiamata spettroscopia fotoelettronica risolta in spin. Le tecniche possono fornire informazioni dettagliate su come gli elettroni viaggiano nei materiali e anche sull'orientamento dello spin degli elettroni.

Le linee di luce ARPES presso la SLA rimangono molto richieste per la ricerca sulla materia topologica. Fedorov ha detto, "In questi giorni, quasi ogni proposta presentata alla nostra linea di luce in un modo o nell'altro riguarda la questione topologica."

La ricerca di scoperte di nuova materia topologica presso l'ALS sarà anche stimolata da una linea di luce nota come MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) che è stata aperta agli utenti lo scorso anno e aiuterà a visualizzare strutture ordinate esotiche formate in alcuni materiali topologici.

"SLA-U, un aggiornamento pianificato della SLA, dovrebbe migliorare e potenziare gli studi sulla materia topologica utilizzando la SLA, " Mo ha detto. "Ci permetterà di concentrarci su un punto molto piccolo, " che potrebbe rivelare maggiori dettagli nel comportamento degli elettroni della materia topologica.

Il miglioramento delle prestazioni dei raggi X potrebbe aiutare a identificare alcuni materiali topologici che in precedenza erano trascurati, e per meglio distinguere e classificare le loro proprietà, disse Hasan.

I primi lavori di Hasan in materia topologica, compresi gli isolanti topologici, lo ha portato alla rivelazione di una particella priva di massa precedentemente teorizzata nota come fermione di Weyl nei semimetalli topologici, e ora sta escogitando un esperimento correlato che spera imiterà il periodo dell'universo primordiale in cui le particelle cominciarono ad assumere massa.

Denlinger, Fedorov, e Mo si stanno preparando per ulteriori studi sulla materia topologica, e stiamo contattando possibili collaboratori del Berkeley Lab e della comunità scientifica globale.

I materiali su scala nanometrica mostrano molte promesse per le applicazioni dei materiali topologici, e termoelettrici, quegli stessi materiali che possono trasferire il calore all'elettricità e viceversa, e ciò ha portato alla prima realizzazione della materia topologica negli esperimenti a raggi X, dovrebbe vedere miglioramenti delle prestazioni a breve termine grazie al ritmo febbrile della ricerca e sviluppo sul campo, Fedorov ha notato.

Hasan, pure, ha detto che è entusiasta dei progressi nel campo. "Siamo nel mezzo di una rivoluzione topologica in fisica, di sicuro, " Egli ha detto.