è ultrasottile, elettricamente conduttivo ai bordi e altamente isolante all'interno, e tutto ciò a temperatura ambiente:i fisici dell'Università di Würzburg hanno sviluppato un nuovo materiale promettente.

La classe materiale degli isolanti topologici è attualmente al centro della ricerca internazionale sui solidi. Questi materiali sono elettricamente isolanti all'interno, perché gli elettroni mantengono forti legami con gli atomi. alle loro superfici, però, sono conduttivi a causa degli effetti quantistici.

Inoltre, l'orientamento di spin dell'elettrone è in grado di trasmettere informazioni in modo molto efficiente. È protetto contro la dispersione quando si muove attraverso questi canali di superficie. Con queste proprietà, gli isolanti topologici potrebbero realizzare un vecchio sogno:elaborazione diretta dei dati basata su spin, o la cosiddetta spintronica.

I concetti precedenti funzionano solo in frigorifero

Fino ad ora, però, c'è stato un grosso ostacolo all'utilizzo di tali canali di superficie per applicazioni tecniche:"Con l'aumentare della temperatura di un isolante topologico, tutti gli effetti quantistici sono sbiaditi e con essi, le proprietà speciali dei bordi elettricamente conduttivi, " Spiega il dottor Jörg Schäfer; è docente privato presso la Cattedra di Fisica Sperimentale 4 dell'Università di Würzburg.

Per questa ragione, tutti gli isolanti topologici conosciuti devono essere raffreddati a temperature molto basse, solitamente fino a meno 270 gradi Celsius, per poter studiare le proprietà quantistiche dei canali di bordo. "Certo, tali condizioni non sono molto praticabili per potenziali applicazioni come l'elettronica ultraveloce o i computer quantistici, "dice il fisico.

Un team di fisici di Würzburg ha ora presentato un concetto completamente nuovo per aggirare elegantemente questo problema. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati nell'attuale numero di Scienza .

Design mirato dei materiali

La svolta di Würzburg si basa su una speciale combinazione di materiali:un film ultrasottile costituito da un singolo strato di atomi di bismuto depositati su un substrato di carburo di silicio.

Cosa rende questa combinazione così speciale? "La struttura cristallina del substrato di carburo di silicio fa sì che gli atomi di bismuto si dispongano in una geometria a nido d'ape quando depositano il film di bismuto, molto simile alla struttura del grafene "materiale miracoloso", che è costituito da atomi di carbonio", Il professor Ralph Claessen spiega. A causa di questa analogia, il film sottilissimo è chiamato "bismutene".

Ma ha una differenza decisiva rispetto al grafene:"Il bismutene forma un legame chimico con il substrato, " Dice il professor Ronny Thomale. Svolge un ruolo centrale nel nuovo concetto fornire al materiale le proprietà elettroniche desiderate. Ciò è evidenziato dalla modellazione basata su computer:"Mentre il bismuto comune è un metallo elettricamente conduttivo, il monostrato a nido d'ape rimane un distinto isolante, anche a temperatura ambiente e molto al di sopra, " aggiunge il fisico. Per creare artificialmente questa tanto desiderata condizione iniziale, gli atomi di bismuto pesante sono ingegnosamente combinati con il substrato di carburo di silicio ugualmente isolante.

Autostrada Electron ai margini

I canali di conduzione elettronica entrano in gioco sul bordo di un pezzo di bismutene. È qui che si trovano i canali del bordo metallico, che devono essere utilizzati per l'elaborazione dei dati del futuro. Questo non è stato concluso solo teoricamente dal gruppo di ricerca di Würzburg, è stato anche dimostrato in esperimenti che utilizzano tecniche microscopiche.

Al fine di sfruttare i canali perimetrali per i componenti elettronici, è fondamentale che non ci sia cortocircuito attraverso l'interno del materiale topologico o attraverso il substrato. "I precedenti isolanti topologici richiedevano un raffreddamento estremo per garantire questo, " Spiega Jörg Schäfer. Il nuovo concetto di bismutene rende superfluo questo sforzo:il distinto comportamento isolante della pellicola e del substrato eliminano eventuali cortocircuiti fastidiosi.

Gli scienziati di Würzburg ritengono che sia questa fase di far funzionare il materiale a temperatura ambiente, che renderanno la scoperta interessante per potenziali applicazioni in condizioni realistiche. "Tali canali di conduzione sono protetti topologicamente. Ciò significa che possono essere utilizzati per trasmettere informazioni praticamente senza perdite, " dice Ralph Claessen. Questo approccio rende concepibile la trasmissione di dati con pochi spin di elettroni. Pertanto, il team di Würzburg si aspetta grandi progressi per una tecnologia dell'informazione efficiente.