I fisici di BESSY II hanno studiato una classe di materiali che presentano caratteristiche di isolanti topologici. Durante questi studi, hanno scoperto una transizione tra due diverse fasi topologiche, uno dei quali è ferroelettrico, significa una fase nel materiale che mostra polarizzazione elettrica spontanea e può essere invertita da un campo elettrico esterno. Ciò potrebbe anche portare a nuove applicazioni come il passaggio tra diverse conduttività.

I ricercatori dell'HZB hanno studiato pellicole semiconduttrici cristalline fatte di piombo, lega di stagno e selenio (PbSnSe) che sono state drogate con piccole quantità dell'elemento bismuto. Questi semiconduttori appartengono a una nuova classe di materiali chiamati isolanti topologici, materiali che conducono molto bene alle loro superfici mentre si comportano come isolanti internamente. Il doping con l'1-2% di bismuto ha permesso loro di osservare una nuova transizione di fase topologica. Il campione cambia in una particolare fase topologica che mostra anche ferroelettricità. Ciò significa che un campo elettrico esterno distorce il reticolo cristallino, considerando che, al contrario, le forze meccaniche sul reticolo possono creare campi elettrici.

L'effetto può essere utilizzato per sviluppare nuove funzionalità, interessante anche per potenziali applicazioni. I materiali ferroelettrici a cambiamento di fase sono impiegati nei DVD e nelle memorie flash, Per esempio. Una tensione elettrica sposta gli atomi nel cristallo, trasformando il materiale isolante in uno metallico.

Il drogaggio del bismuto nei film di PbSnSe studiati all'HZB è servito da perturbazione. Il numero di elettroni nel bismuto non si adatta bene alla disposizione periodica degli atomi all'interno del cristallo PbSnSe. "Piccoli cambiamenti nella struttura atomica danno origine a effetti affascinanti in questa classe di materiali, " afferma il ricercatore HZB Dr. Jaime Sánchez-Barriga, ricercatore principale che coordina il progetto.

A seguito di analisi dettagliate delle misurazioni, i ricercatori hanno concluso che il drogaggio del bismuto provoca una distorsione ferroelettrica nel reticolo che modifica anche i livelli di energia consentiti degli elettroni. "Questo problema ci ha tenuti perplessi durante diversi beamtime fino a quando non abbiamo riprodotto i risultati scientifici su una serie completamente nuova di campioni, " dice Sánchez-Barriga. "Potenziali applicazioni potrebbero derivare da fasi ferroelettriche, quelle che non sono state pensate prima. La conduzione senza perdite di elettricità nei materiali topologici può essere attivata e disattivata a piacimento da impulsi elettrici o da sollecitazioni meccaniche, "dice il prof. Oliver Rader, capo del dipartimento Materiali per la Green Spintronics di HZB.