Immaginate due banchi di pesci che nuotano in senso orario e antiorario. È abbastanza per farti girare la testa, e ora gli scienziati della Rutgers University-New Brunswick e dell'Università della Florida hanno scoperto la "modalità di spin chirale" - un mare di elettroni che ruotano in cerchi opposti.

"Abbiamo scoperto una nuova modalità di rotazione collettiva che può essere utilizzata per trasportare energia o informazioni con pochissima dissipazione di energia, e può essere una piattaforma per costruire nuovi dispositivi elettronici come computer e processori, " ha detto Girsh Blumberg, autore senior dello studio e professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Rutgers' School of Arts and Sciences.

Le modalità di spin chirale collettivo sono onde propaganti di spin di elettroni che non trasportano una corrente di carica ma modificano le direzioni di "rotazione" degli elettroni. "Chirale" si riferisce a entità, come le tue mani destra e sinistra, abbinati ma asimmetrici e non sovrapponibili alla loro immagine speculare.

Lo studio, guidato da Hsiang-Hsi (Sean) Kung, uno studente laureato nel laboratorio di spettroscopia laser Rutgers di Blumberg, è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica . Kung ha usato un su misura, spettrometro ultrasensibile per lo studio di un prototipo di isolante topologico 3D. Un modello teorico microscopico che prevede l'evoluzione di energia e temperatura della modalità di spin chirale è stato sviluppato da Saurabh Maiti e dal professor Dmitrii Maslov dell'Università della Florida, corroborando fortemente l'osservazione sperimentale.

Nel vuoto, gli elettroni sono semplici, noiose particelle elementari. Ma nei solidi, il comportamento collettivo di molti elettroni che interagiscono tra loro e con la piattaforma sottostante può dar luogo a fenomeni che portano a nuove applicazioni in superconduttività, magnetismo e piezoelettricità (tensione generata tramite materiali posti sotto pressione), per dirne alcuni. Scienza della materia condensata, che si concentra sui solidi, liquidi e altre forme concentrate di materia, cerca di rivelare nuovi fenomeni in nuovi materiali.

Elettronica a base di silicio, come chip per computer e computer, sono una delle invenzioni più importanti della storia umana. Ma il silicio porta a una significativa perdita di energia quando viene ridimensionato. Un'alternativa è sfruttare gli spin degli elettroni per trasportare informazioni attraverso fili estremamente sottili, che in teoria ridurrebbe la perdita di energia.

La "modalità di spin chirale" appena scoperta deriva dal mare di elettroni sulla superficie degli "isolatori topologici 3D". Questi speciali isolatori hanno amagnetici, materiale isolante con robuste superfici metalliche, e gli elettroni sono confinati in modo che si muovano solo su superfici 2D.

Più importante, gli assi di rotazione degli elettroni sono piani e perpendicolari alla loro velocità. Le modalità di spin chirale emergono naturalmente dalla superficie di tali materiali isolanti, ma non furono mai osservati prima a causa di difetti cristallini. L'osservazione sperimentale nel presente studio è stata resa possibile in seguito allo sviluppo di cristalli ultra-puliti da parte dello studente di dottorato di Rutgers Xueyun Wang e del professor Sang-Wook Cheong del Consiglio di amministrazione del Rutgers Center for Emergent Materials.

La scoperta apre nuove strade per la costruzione di dispositivi elettronici a bassa perdita di prossima generazione.