Isolatori topologici, una classe di materiali indagata da poco più di un decennio, sono stati annunciati come un nuovo "materiale meraviglioso", come ha il grafene. Ma così lontano, gli isolanti topologici non sono stati all'altezza delle aspettative alimentate dagli studi teorici. I fisici dell'Università di Groningen ora hanno un'idea del perché. La loro analisi è stata pubblicata il 27 luglio sulla rivista Revisione fisica B .

Gli isolanti topologici sono materiali che sono isolanti nella massa ma consentono alla carica di fluire attraverso la superficie. Questi stati conduttivi in ​​superficie hanno origine da schemi di ordinamento negli stati in cui risiedono gli elettroni che sono diversi dai materiali ordinari. Questo ordinamento è legato al concetto fisico di 'topologia', analogo a quello utilizzato in matematica. Questa proprietà dà luogo a stati molto robusti con alcune proprietà speciali.

Atomi pesanti

Per uno, il loro spin, una proprietà magnetica degli elettroni che può avere i valori 'su' o 'giù', è bloccato al loro movimento. "Ciò significa che gli elettroni che si spostano verso destra hanno una rotazione verso il basso, e quelli che si spostano a sinistra sono girati su", spiega il primo autore dello studio Eric de Vries, Studente di dottorato nel gruppo di ricerca "Spintronics of Functional Materials" guidato dal suo supervisore prof. dott. Tamalika Banerjee. Questo gruppo fa parte dello Zernike Institute for Advanced Materials. "Ma significa anche che quando si iniettano elettroni con spin up in un tale isolante topologico, viaggeranno a sinistra!" Gli isolanti topologici potrebbero quindi essere molto utili nella realizzazione della spintronica:elettronica basata sul valore di spin quantizzato piuttosto che sulla carica degli elettroni.

Le proprietà speciali degli isolanti topologici sono previste dall'analisi teorica delle strutture superficiali di questi materiali, costituito da cristalli di atomi pesanti. Ma gli esperimenti mostrano risultati contrastanti, che non sono del tutto all'altezza delle previsioni teoriche. "Ci siamo chiesti perché, così abbiamo ideato esperimenti per studiare il comportamento degli elettroni dello stato superficiale. Nello specifico, volevamo vedere se il trasporto è davvero limitato alla superficie, o se è presente anche nella maggior parte del materiale."

Sorprendente

Esperimenti precedenti del gruppo, in cui hanno usato ferromagneti per rilevare gli spin degli elettroni generati nell'isolante topologico, sono stati sorprendenti, dice De Vries. "Abbiamo dimostrato che una tensione presumibilmente originata dal rilevamento dello spin può avere origine in fattori diversi dall'aggancio dello spin dell'elettrone al suo movimento. Utilizzando diverse geometrie, abbiamo dimostrato che gli artefatti relativi ai campi magnetici vaganti generati dai ferromagneti possono imitare tensioni di spin simili." Questa osservazione può portare a una rivalutazione di alcuni risultati pubblicati.

Questa volta, hanno usato un approccio diverso. "Abbiamo analizzato gli isolanti topologici utilizzando forti campi magnetici. Questo fa sì che gli elettroni oscillino nei canali di trasporto". De Vries è andato al National High Field Magnet Laboratory presso la Radboud University di Nijmegen, dove è disponibile un magnete da 33 Tesla, uno dei magneti più potenti al mondo. "Altri hanno fatto test simili con magneti più deboli, ma questi non sono abbastanza sensibili da rivelare i canali di trasporto aggiuntivi che coesistono con gli stati di superficie." Gli esperimenti di De Vries hanno mostrato che una parte considerevole del trasporto di carica si è verificata nella fase di massa del materiale, e non solo in superficie.

Canali di trasporto

La ragione di questo, spiega De Vries, è la struttura cristallina imperfetta dell'isolante topologico. "A volte ci sono atomi mancanti nella struttura cristallina. Ciò si traduce in elettroni che si muovono liberamente. Questi iniziano a condurre come nuovi canali di trasporto, generando corrente elettrica nella maggior parte del materiale."

Allora perché nessuno l'ha notato prima? De Vries sottolinea che l'interpretazione delle misurazioni di trasporto effettuate su isolanti topologici può essere difficile. "L'abbiamo sperimentato nei nostri esperimenti precedenti. Il nostro messaggio è che è necessaria un'estrema cura nell'interpretazione delle osservazioni sperimentali per i dispositivi basati su questi materiali". Anche, esperimenti che potrebbero portare a conclusioni più chiare richiedono campi magnetici molto elevati in laboratori specializzati.

Glitch

I risultati indicano un modo per migliorare gli isolanti topologici. "La chiave è far crescere i cristalli senza che manchino gli atomi. Un'altra soluzione è riempire i buchi, per esempio con ioni calcio che legano gli elettroni liberi. Ma ciò potrebbe causare altri disturbi alla mobilità degli elettroni." Per dieci anni, gli isolanti topologici erano di gran moda. Sono stati confrontati con il materiale miracoloso grafene. La scoperta che, in pratica, gli isolanti topologici hanno difetti che servono come controllo della realtà. De Vries:"Dobbiamo studiare e comprendere l'interazione tra gli stati della superficie e il materiale sfuso in modo molto più dettagliato".