Un team internazionale di ricercatori, lavorando presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia e l'UC Berkeley, ha fabbricato un materiale atomicamente sottile e misurato le sue proprietà esotiche e durevoli che lo rendono un candidato promettente per un ramo in erba dell'elettronica noto come "spintronica".

Il materiale - noto come 1T'-WTe2 - fa da ponte tra due fiorenti campi di ricerca:quello dei cosiddetti materiali 2-D, che includono materiali monostrato come il grafene che si comportano in modi diversi rispetto alle loro forme più spesse; e materiali topologici, in cui gli elettroni possono sfrecciare in modi prevedibili con quasi nessuna resistenza e indipendentemente dai difetti che normalmente impedirebbero il loro movimento.

Ai margini di questo materiale, lo spin degli elettroni - una proprietà delle particelle che funziona un po' come l'ago di una bussola che punta a nord oa sud - e il loro impulso sono strettamente legati e prevedibili.

Quest'ultima prova sperimentale potrebbe elevare l'uso del materiale come soggetto di prova per applicazioni di nuova generazione, come una nuova generazione di dispositivi elettronici che manipolano la sua proprietà di spin per trasportare e memorizzare i dati in modo più efficiente rispetto ai dispositivi attuali. Questi tratti sono fondamentali per la spintronica.

Il materiale è chiamato isolante topologico perché la sua superficie interna non conduce elettricità, e la sua conduttività elettrica (il flusso di elettroni) è limitata ai suoi bordi.

"Questo materiale dovrebbe essere molto utile per gli studi di spintronica, " disse Sung-Kwan Mo, un fisico e scienziato del personale presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab che ha co-diretto lo studio, pubblicato oggi in Fisica della natura .

"Il flusso degli elettroni è completamente legato alla direzione dei loro spin, ed è limitato solo ai bordi del materiale, " disse Mo. "Gli elettroni viaggeranno in una direzione, e con un tipo di rotazione, che è una qualità utile per i dispositivi spintronici." Tali dispositivi potrebbero concepibilmente trasportare dati in modo più fluido, con minori richieste di energia e accumulo di calore rispetto a quanto è tipico per i dispositivi elettronici attuali.

"Siamo entusiasti del fatto di aver trovato un'altra famiglia di materiali in cui possiamo sia esplorare la fisica degli isolanti topologici 2-D sia fare esperimenti che potrebbero portare ad applicazioni future, " disse Zhi-Xun Shen, un professore di scienze fisiche presso la Stanford University e il consulente per la scienza e la tecnologia presso lo SLAC National Accelerator Laboratory che ha anche co-diretto lo sforzo di ricerca. "Questa classe generale di materiali è nota per essere robusta e per resistere bene in varie condizioni sperimentali, e queste qualità dovrebbero consentire al campo di svilupparsi più velocemente, " Ha aggiunto.

Il materiale è stato fabbricato e studiato presso l'ALS, una struttura di ricerca a raggi X nota come sincrotrone. Shujie Tang, un ricercatore post-dottorato in visita presso il Berkeley Lab e la Stanford University, e co-autore principale dello studio, è stato determinante nella crescita di campioni cristallini dello spessore di 3 atomi del materiale in un ambiente altamente purificato, scomparto sottovuoto presso l'ALS, utilizzando un processo noto come epitassia a fascio molecolare.

I campioni di elevata purezza sono stati quindi studiati presso l'ALS utilizzando una tecnica nota come ARPES (o spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta), che fornisce una potente sonda delle proprietà degli elettroni dei materiali.

"Dopo aver affinato la ricetta della crescita, l'abbiamo misurato con ARPES. Abbiamo subito riconosciuto la struttura elettronica caratteristica di un isolante topologico 2-D, "Tang ha detto, sulla base di teorie e previsioni. "Siamo stati i primi a eseguire questo tipo di misurazione su questo materiale".

Ma poiché la parte conduttrice di questo materiale, al suo bordo più esterno, misurato solo pochi nanometri di spessore - migliaia di volte più sottile del fuoco del raggio di raggi X - è stato difficile identificare con certezza tutte le proprietà elettroniche del materiale.

Quindi i collaboratori dell'UC Berkeley hanno eseguito misurazioni aggiuntive su scala atomica usando una tecnica nota come STM, o la microscopia a effetto tunnel. "STM ha misurato direttamente il suo stato del bordo, quindi questo è stato un contributo davvero fondamentale, " disse Tang.

Lo sforzo di ricerca, iniziata nel 2015, coinvolto più di due dozzine di ricercatori in una varietà di discipline. Il team di ricerca ha anche beneficiato del lavoro computazionale presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab.

I materiali bidimensionali hanno proprietà elettroniche uniche che sono considerate fondamentali per adattarli alle applicazioni di spintronica, e c'è uno sforzo di ricerca e sviluppo molto attivo in tutto il mondo focalizzato sulla personalizzazione di questi materiali per usi specifici impilando selettivamente diversi tipi.

"I ricercatori stanno cercando di metterli uno sopra l'altro per modificare il materiale come desiderano, come i blocchi di Lego, " disse Mo. "Ora che abbiamo una prova sperimentale delle proprietà di questo materiale, vogliamo impilarlo con altri materiali per vedere come cambiano queste proprietà".

Un problema tipico nella creazione di tali materiali di design da strati atomicamente sottili è che i materiali hanno tipicamente difetti su scala nanometrica che possono essere difficili da eliminare e che possono influire sulle loro prestazioni. Ma poiché 1T'-WTe2 è un isolante topologico, le sue proprietà elettroniche sono per natura resistenti.

"Su scala nanometrica potrebbe non essere un cristallo perfetto, "Mù ha detto, "ma la bellezza dei materiali topologici è che anche quando si hanno cristalli meno che perfetti, gli stati limite sopravvivono. Le imperfezioni non infrangono le proprietà chiave".

Andando avanti, i ricercatori mirano a sviluppare campioni più grandi del materiale ea scoprire come sintonizzare e accentuare selettivamente proprietà specifiche. Oltre alle sue proprietà topologiche, i suoi "materiali fratelli, " che hanno proprietà simili e sono stati studiati anche dal gruppo di ricerca, sono noti per essere sensibili alla luce e hanno proprietà utili per le celle solari e per l'optoelettronica, che controllano la luce per l'uso in dispositivi elettronici.