Per l'ultimo decennio, gli scienziati hanno cercato isolanti topologici, materiali che sono isolanti all'interno ma conducono corrente sulle loro superfici. Sebbene previsto per la prima volta intorno al 2005, fino ad oggi sono stati trovati pochissimi esempi reali. Gli isolanti topologici dovrebbero avere applicazioni ad ampio raggio, compresa l'elettronica ad alta efficienza energetica e l'informatica quantistica, le loro proprietà speciali consentono alla corrente superficiale di fluire liberamente anche in presenza di difetti o disturbi.

Fino ad ora, gli scienziati hanno cercato isolanti topologici tra i cristalli o altri materiali i cui atomi sono disposti in modo regolare. Un nuovo studio, però, prevede che gli isolanti topologici si possano trovare anche tra i materiali amorfi, come alcune forme di vetro, in cui gli atomi sono disposti casualmente.

La previsione, sulla base di modelli informatici, apre nuove strade alla ricerca di questi materiali. "Ora ci sono molte più opportunità per trovare isolatori topologici, " afferma l'autore senior Vijay Shenoy dell'Indian Institute of Science (IISc). Gli isolanti topologici amorfi possono anche essere più facili da realizzare rispetto a quelli cristallini, che richiedono controlli rigorosi, egli propone. Shenoy e lo studente laureato Adhip Agarwala hanno condotto lo studio pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Gli isolanti topologici devono le loro capacità superiori alla presenza di speciali stati energetici sulle loro superfici. Affinché la corrente fluisca in un materiale, gli elettroni devono passare dallo stato energetico della banda di valenza a uno stato superiore chiamato banda di conduzione. Se lo spazio tra le bande è molto grande, come si trova nei normali isolanti, gli elettroni non possono saltare e la corrente non scorre. All'interno, gli isolanti topologici hanno un ampio gap di banda e non conducono corrente. Sulla loro superficie, però, gli elettroni occupano determinati stati "intermedi" tra le bande di valenza e di conduzione, che consente loro di trasportare corrente.

Quando questi materiali furono previsti per la prima volta, la teoria si basava sul presupposto che la struttura del materiale dovesse essere cristallina, dice Shenoy. "Dopo aver curiosato, abbiamo scoperto che questo non è un presupposto cruciale. Non è una condizione necessaria per ottenere una fase topologica, " lui dice.

Shenoy e Agarwala hanno utilizzato modelli informatici per "costruire" strutture 2-D e 3-D in cui i siti sono disposti casualmente e gli elettroni possono saltare tra di loro. Quindi hanno modificato alcuni parametri come la distanza tra i siti e la spaziatura tra le bande di energia. A determinate condizioni, hanno scoperto che i materiali mostravano stati intermedi sulla superficie e altre firme matematiche trovate negli isolanti topologici, nonostante la loro struttura casuale.

"Le persone hanno guardato solo materiali cristallini. E non hanno trovato isolanti topologici molto buoni, " dice Agarwala. "Anche in teoria, le persone possono ora guardarne molti, molte sostanze, non solo materiali amorfi. Abbiamo mostrato per lo "scenario peggiore" in cui la struttura è completamente casuale. Possiamo pensare a molti più materiali tra cristallini e amorfi, e chiedere se possono esistere isolanti topologici."

I ricercatori potrebbero anche esaminare altri modi per realizzare isolanti topologici, suggeriscono gli autori. Una possibilità, Per esempio, consiste nell'aggiungere casualmente atomi con livelli energetici appropriati alla superficie di un isolante esistente per dare origine a stati topologici.

Gli isolanti topologici hanno proprietà speciali che li rendono attraenti per l'elettronica. Per esempio, la direzione in cui gli elettroni di superficie ruotano è bloccata nella direzione in cui si muovono. Questo blocco impedisce che difetti o impurità cambino lo spin dell'elettrone e quindi lo spingano fuori dal suo percorso, minimizzando così la perdita di corrente.

"Una delle aree attive nella fisica della materia condensata e nella scienza dei materiali è trovare tali materiali, " dice Shenoy. "Se trovato, sarà una scoperta importante e potrebbe guidare il prossimo ciclo di elettronica."