Il Premio Nobel per la fisica 2016 è stato assegnato per la teoria della materia topologica. Gli isolanti topologici sono nuovi materiali con proprietà elettroniche speciali e sono di grande interesse fondamentale e orientato alle applicazioni. Tuttavia, i fisici hanno lottato con un puzzle vecchio di dieci anni in cui i risultati dei due metodi migliori per sondare i loro stati elettronici non sono d'accordo. Ricercatori di Amsterdam, tra cui due dottorandi finanziati dall'UFM, con collaboratori in Francia, Svizzera e Germania ora sanno esattamente perché.

Gli isolanti topologici sono roba strana. La maggior parte di un tale cristallo è isolante e non può trasportare corrente elettrica, eppure le superfici di quello stesso cristallo sono conduttrici. Questi nuovi materiali sono di grande interesse fondamentale ma sono anche molto promettenti per una serie di future applicazioni in tipi speciali di elettronica e nel calcolo quantistico, e quindi sono oggetto di un notevole sforzo di ricerca in fisica. L'importanza dei materiali topologici è stata sottolineata lo scorso anno con l'assegnazione del Premio Nobel per lo sviluppo di teorie fondamentali che stabiliscono l'esistenza e il comportamento della materia topologica.

Esistono due potenti metodi sperimentali per esaminare il comportamento degli elettroni – le particelle che trasportano corrente elettrica – sulla superficie di un isolante topologico. Il primo prevede l'invio di una corrente attraverso il sistema in presenza di un campo magnetico molto grande, ed è noto come magnetotrasporto. Il secondo prevede l'uso di un raggio di luce ultravioletta per esaminare la superficie del cristallo. In questo caso, l'energia di una particella leggera può essere assorbita da un elettrone e in questo modo quelle vicine alla superficie possono sfuggire al cristallo ed essere analizzate. I ricercatori possono sfruttare questo effetto fotoelettrico per raccogliere preziose informazioni sulle proprietà elettroniche sulla superficie di un isolante topologico, il luogo dove si trova tutta l'azione. Questo tipo di esperimento è chiamato fotoemissione.

Da più di 10 anni, i ricercatori sono rimasti sconcertati sul motivo per cui questi due esperimenti sono completamente in disaccordo quando applicati agli isolanti topologici. Ora ricercatori di Amsterdam, tra cui due dottorandi finanziati dall'UFM, insieme a collaboratori in Francia, La Svizzera e la Germania hanno recentemente intravisto le ragioni. Le ipotesi? Il primissimo flash di luce UV, necessario per registrare i dati di fotoemissione, stesso altera la struttura elettronica in superficie.

La quantità che descrive e spiega come fanno gli elettroni in un solido è chiamata struttura a bande. Può essere visto come una sorta di rete stradale, che mappa le combinazioni consentite di energia e lunghezza d'onda che le onde elettroniche possono avere nel cristallo. Una fetta attraverso una tale struttura a bande può essere facilmente visualizzata come un'immagine 2-D come quelle nelle immagini mostrate qui. Questo tipo di istantanea contiene preziose informazioni sulla struttura elettronica di un isolante topologico, ed in particolare la localizzazione energetica del punto di incrocio dei due rami visibile nella struttura a bande. Questa caratteristica speciale – evidenziata con un pennarello colorato nelle immagini – si chiama punto Dirac, prende il nome dal fisico teorico Paul Dirac la cui teoria descrisse per la prima volta gli elettroni come quelli sulla superficie di un isolante topologico.

Normalmente, la registrazione di un'immagine della struttura della banda costa un minuto o più. Ma qui i ricercatori hanno lavorato duramente per ridurre questo a un solo secondo, e l'immagine di sinistra era il risultato. Il punto di Dirac (cerchio verde) arriva a un'energia corrispondente a quella dei dati di magnetotrasporto. Dopo soli 20 secondi di esposizione ai raggi UV, il pennarello rosso nell'immagine a destra mostra che il punto di Dirac, e il resto della struttura della banda con esso è scivolato verso il basso in energia, lontano dal valore trovato negli esperimenti di trasporto.

Era già noto che le molecole che aderiscono alla superficie dell'isolante topologico possono causare uno spostamento verso il basso del punto di Dirac. Questi nuovi esperimenti sono stati in grado di districare l'effetto delle molecole in superficie e quello della luce UV, così i ricercatori hanno potuto dimostrare che il primissimo lampo di luce svolge in effetti il ​​ruolo della pistola del motorino di avviamento, innescando una rapida discesa della punta di Dirac.

Questi nuovi risultati sono molto utili, poiché la fotoemissione è un esperimento molto importante nel campo dei materiali topologici. Ma significano che la fotoemissione è matura per la spazzatura? Anzi! Ora che l'effetto della luce UV è stato compreso correttamente, potrebbero essere sviluppati protocolli su come la fotoemissione può essere utilizzata nel modo giusto negli studi futuri degli isolanti topologici. I risultati della fotoemissione e le linee guida per migliorare le procedure sperimentali sono stati pubblicati questa settimana nella principale rivista di fisica (ad accesso aperto), Revisione fisica X .