La ricerca condotta dalle Università di St Andrews e Tokyo rivela una nuova comprensione su come creare stati elettronici topologici nei solidi che potrebbero alimentare lo sviluppo di materiali migliorati per dispositivi elettronici veloci ed efficienti dal punto di vista energetico. I risultati potrebbero portare a nuovi tipi di chip per computer che potrebbero essere molto più potenti di quelli che si trovano nei computer e negli smartphone di oggi.

Il modo in cui gli elettroni si comportano all'interno di un solido è governato dalla sua struttura elettronica, una rete intrecciata di 'bande' che definiscono le energie ei momenti consentiti degli elettroni nel solido. Se il giusto tipo di bande si incrocia, questo può dar luogo a interessanti, e potenzialmente estremamente utile, proprietà fisiche dei materiali. Per esempio, si è recentemente realizzato che i punti di contatto isolati di queste bande possono essere stabilizzati da certe simmetrie cristalline, creando i cosiddetti fermioni di Dirac nella struttura elettronica bulk. Ciò consente agli elettroni nella massa del cristallo di comportarsi come se fossero particelle prive di massa, effettivamente un analogo di massa del materiale atomicamente sottile grafene. Oltre ad essere un entusiasmante parco giochi per lo studio dei concetti fondamentali delle particelle in fisica, questo può portare a una mobilità ultraelevata dei portatori di carica, una proprietà che potrebbe essere utilizzata per realizzare ottimi conduttori.

Se l'attraversamento non è protetto, un altro stato eccitante chiamato "isolatore topologico" può essere stabilizzato. Qui, la maggior parte del materiale si comporta in modo simile ad un normale isolante elettrico, ma la sua superficie supporta i cosiddetti "stati di superficie topologici" - bande aggiuntive che formano punti di attraversamento protetti contenenti solo elettroni localizzati sulla superficie del materiale. In pratica, questi stati superficiali forniscono un guscio conduttivo attorno alla massa del materiale, che può rimanere intatto anche quando il materiale presenta difetti o danneggiamenti. Un isolante elettronico può quindi trasformarsi in un buon conduttore alla sua superficie, con potenziali applicazioni in schemi elettronici proposti che sfruttano lo spin dell'elettrone e la sua carica.

Dato l'interesse fondamentale e pratico in tali sistemi, c'è stato un enorme sforzo recente nell'identificare composti in cui si possono trovare questi tipi di stati. Per sviluppare una serie di principi guida per raggiungere questo obiettivo, un team internazionale di scienziati del Regno Unito, L'Asia e l'Europa hanno combinato modelli teorici dettagliati con studi sperimentali all'avanguardia. Le loro scoperte, pubblicato sulla rivista Materiali della natura (27 novembre), dimostrare un meccanismo molto generale per generare più insiemi di stati superficiali topologici e fermioni di Dirac tridimensionali tutti all'interno dello stesso materiale. I ricercatori hanno trovato prove per questi in sei composti separati dalla famiglia dei dicalcogenuri di metalli di transizione a strati, un sistema di materiali che è stato estremamente studiato a causa della vasta gamma di nuove fasi fisiche che ospitano, dai semiconduttori non convenzionali ai superconduttori, e il loro potenziale per agire come analoghi del grafene di prossima generazione.

Saeed Bahramy, dell'Università di Tokyo e del Centro RIKEN in Giappone, che ha condotto il lavoro teorico, ha commentato:"I dicalcogenuri dei metalli di transizione sono meglio conosciuti per la loro elettronica unica, proprietà spintroniche e valtroniche. Sapere che possono ospitare intrinsecamente queste nuove fasi topologiche apre nuove possibilità per la realizzazione di dispositivi elettronici di prossima generazione con funzionalità avanzate".

La chiave per i risultati dei ricercatori è una disparità nel modo in cui gli elettroni possono muoversi lungo diverse direzioni del cristallo, accoppiato con una semplice simmetria rotazionale che può proteggere alcuni incroci di banda. Lo studio ha mostrato come questo porti naturalmente alla formazione di insiemi sovrapposti di stati superficiali topologici e fermioni di Dirac 3D nei dichalcogenuri di metalli di transizione. I risultati non dovrebbero essere limitati a questo sistema di materiali. Condizioni di partenza simili si possono trovare in molti materiali diversi, sollevando l'eccitante prospettiva che le caratteristiche qui scoperte siano in effetti significativamente più comuni in natura di quanto si pensi tipicamente.

Oliver Clark, dalla Scuola di Fisica e Astronomia dell'Università di St Andrews, che ha condotto il lavoro sperimentale, aggiunge:"Il numero di ingredienti necessari per consentire a queste caratteristiche di manifestarsi in un dato materiale è molto piccolo, e ognuno di loro molto comune. Questo espande quindi drasticamente la gamma di possibili materiali in cui ci si può aspettare di trovare queste firme topologiche".

L'articolo Formazione onnipresente di coni di Dirac sfusi e stati di superficie topologici da una singola varietà orbitale in dichalcogenuri di metalli di transizione di M S Bahramy, O J Clark et al è pubblicato sulla rivista Materiali della natura .