L'"effetto magnetoelettrico quantizzato" è stato dimostrato per la prima volta negli isolanti topologici presso la TU Wien, che è destinato ad aprire nuovi metodi di misurazione altamente accurati.

Un'onda luminosa inviata attraverso lo spazio vuoto oscilla sempre nella stessa direzione. Però, alcuni materiali possono essere utilizzati per ruotare la direzione in cui la luce oscilla quando viene posta in un campo magnetico. Questo è noto come effetto "magneto-ottico".

Dopo molte speculazioni su un lungo periodo di tempo, una variante di questo tipo di effetto è stata dimostrata per la prima volta alla TU Wien. Invece di cambiare continuamente la direzione dell'onda luminosa, materiali speciali chiamati "isolanti topologici" lo fanno in passaggi quantistici in porzioni chiaramente definite. L'estensione di questi passaggi quantistici dipende esclusivamente da parametri fisici fondamentali, come la costante di struttura fine. Potrebbe presto essere possibile misurare questa costante in modo ancora più accurato utilizzando tecniche ottiche di quanto non sia attualmente possibile con altri metodi. Gli ultimi risultati sono stati ora rivelati nella rivista ad accesso aperto Comunicazioni sulla natura .

Isolatori topologici

"Da tempo lavoriamo su materiali in grado di cambiare la direzione dell'oscillazione della luce, " spiega il prof. Andrei Pimenov dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. Come regola generale, l'effetto dipende dallo spessore del materiale:maggiore è la distanza percorsa dalla luce nel materiale, maggiore è l'angolo di rotazione. Però, questo non è il caso dei materiali che il team di Pimenov ha ora studiato più da vicino con l'assistenza di un gruppo di ricerca di Würzburg. La loro attenzione si è concentrata sugli "isolatori topologici", per cui il parametro cruciale è la superficie piuttosto che lo spessore.

Isolanti all'interno, l'elettricità può solitamente essere condotta in modo molto efficace lungo la superficie di un isolante topologico. "Anche quando si invia radiazione attraverso un isolante topologico, la superficie è ciò che fa la differenza, " dice Pimenov. Quando la luce si propaga in questo materiale, la direzione di oscillazione del raggio viene ruotata dalla superficie del materiale due volte:una volta quando entra e un'altra quando esce.

Ciò che è più notevole qui è che questa rotazione avviene in porzioni particolari, a passi quantici, piuttosto che essere continuo. L'intervallo tra questi punti non è determinato dalla geometria o dalle proprietà del materiale ed è invece definito solo da costanti naturali fondamentali. Per esempio, possono essere specificati in base alla costante di struttura fine, che viene utilizzato per descrivere la forza dell'interazione elettromagnetica. Ciò potrebbe aprire la possibilità di misurare le costanti naturali con una precisione maggiore rispetto a quanto avvenuto in precedenza e potrebbe persino portare all'identificazione di nuove tecniche di misurazione.

Maggiore precisione di misurazione utilizzando materiali speciali

La situazione è simile per l'effetto Hall quantistico, che è un altro fenomeno quantistico osservato in alcuni materiali, in tal caso una particolare variabile (qui la resistenza elettrica) può aumentare solo di determinate quantità. L'effetto Hall quantistico è attualmente utilizzato per misurazioni di alta precisione, su cui si basa la definizione standard ufficiale di resistenza elettrica. Già nel 1985, il Premio Nobel per la Fisica è stato assegnato per la scoperta dell'effetto Hall quantistico.

Anche i materiali topologici sono già stati oggetto di una vittoria del Premio Nobel, questa volta nel 2016. Si prevede che questi ultimi risultati consentiranno anche l'utilizzo di materiali con caratteristiche topologiche speciali (in questo caso isolanti topologici) per specifiche tecniche applicazioni.