Un gruppo di fisici del MIPT e del Landau Institute for Theoretical Physics dell'Accademia Russa delle Scienze è ora un passo più vicino alla ricerca di applicazioni per isolanti topologici, materiali con notevoli proprietà elettriche, che fino a poco tempo fa erano considerati meramente ipotetici. I ricercatori hanno acquisito informazioni sull'interazione tra gli atomi di impurità magnetiche in tali materiali.

Gli isolanti topologici sono un'importante scoperta della fisica del 21° secolo. Sono stati prima previsti teoricamente e solo successivamente osservati sperimentalmente. La maggior parte di tali materiali mostra il comportamento tipico dei semiconduttori. Ma le loro proprietà sulla superficie (sul bordo) sono molto simili a quelle dei metalli. Per esempio, la corrente elettrica può fluire liberamente sulle loro superfici. Le loro proprietà uniche dovrebbero essere utili per costruire circuiti elettronici con perdite di calore minime, computer quantistici, e altri dispositivi avanzati.

Però, realizzare dispositivi pratici basati su isolanti topologici, è necessario capire come le loro proprietà siano influenzate da imperfezioni strutturali, come la presenza di atomi con momento magnetico diverso da zero. Il momento magnetico di un atomo caratterizza l'intensità del campo magnetico che l'atomo è in grado di creare.

L'interazione tra atomi con momenti magnetici, tra cui ferro e manganese, è stata studiata in molti studi. Può verificarsi nei metalli e viene quindi chiamata interazione Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida, in onore dei quattro fisici teorici che lo studiarono già a metà degli anni Cinquanta. Si verifica anche nei semiconduttori, nel qual caso è nota come interazione di scambio indiretto. Questo tipo è stato originariamente studiato teoricamente da Bloembergen e Rowland nel 1955. Un altro contributo significativo allo studio dell'interazione di scambio indiretto è stato dato da A. Abrikosov, un fisico sovietico e americano e premio Nobel che ha affrontato le questioni fondamentali della fisica della materia condensata. Comprendere l'interazione di scambio indiretto, ovvero l'energia di legame tra gli atomi magnetici e la sua dipendenza dalla temperatura e dalla distanza tra gli atomi, consente agli scienziati di prevedere come i momenti magnetici di questi atomi saranno allineati a basse temperature in un dato materiale.

Nel loro nuovo documento, che è stato pubblicato in Revisione fisica B , i ricercatori hanno esaminato l'interazione tra atomi con momenti magnetici diversi da zero vicino al bordo di un isolante topologico bidimensionale. Igor Burmistrov, ricercatore presso il Landau Institute for Theoretical Physics, e Pavel e Vladislav Kurilovich, studenti della Sezione di Problemi di Fisica Teorica del Dipartimento di Fisica Generale e Applicata, MIPT, ha studiato l'interazione di scambio indiretto tra atomi di manganese in un isolante topologico bidimensionale basato su un pozzo quantistico CdTe/HgTe/CdTe.

La nozione di "pozzo quantico" significa che un sottile strato di tellururo di mercurio, o HgTe, è racchiuso tra due strati di tellururo di cadmio, CdTe. I due composti hanno proprietà quantistiche diverse che confinano gli elettroni allo strato di tellururo di mercurio. Loro sono, in un modo, intrappolati in fondo al pozzo e incapaci di uscirne a meno che non abbiano un'energia specifica.

Burmistrov dice, "I due atomi con momenti magnetici possono interagire in modi diversi, a seconda della loro posizione:se entrambi sono vicini al bordo, si comportano come se fossero in un metallo, ma quando entrambi sono situati lontano dal bordo, interagiscono come fanno in un semiconduttore."

Il ricercatore ha anche spiegato cosa rende speciali gli isolanti topologici bidimensionali:"In un isolante topologico bidimensionale, le quasiparticelle si muovono su un piano perché l'energia di quantizzazione delle dimensioni è maggiore nel pozzo quantistico." Un sistema è chiamato quantizzato quando la sua energia può assumere solo valori discreti, e la quantizzazione delle dimensioni si riferisce a quando ciò si verifica a causa delle dimensioni limitate del sistema. Le particelle nei film sottili si comportano in modi diversi da come si comportano nei sistemi classici, come un pezzo di filo di rame o un cristallo semiconduttore.

L'analisi teorica, più importante, ha portato alla previsione di un nuovo tipo di interazioni di scambio indiretto tra atomi con momenti magnetici in un isolante bidimensionale. Da una parte, è simile all'analoga interazione nei metalli; d'altra parte, assomiglia a ciò che accade tipicamente nei semiconduttori. Una combinazione così insolita domina l'interazione tra coppie di atomi magnetici, uno dei quali è vicino al bordo e un altro lontano da esso. Nonostante il fatto che questi risultati teorici non abbiano applicazioni immediate, sono importanti per ulteriori studi sull'effetto degli atomi magnetici sulla corrente elettrica lungo il bordo di un isolante topologico bidimensionale.