I fisici dell'ETH hanno sviluppato un wafer di silicio che si comporta come un isolante topologico quando viene stimolato con gli ultrasuoni. Sono così riusciti a trasformare un concetto teorico astratto in un prodotto macroscopico.

La solita procedura è questa:hai un sistema fisico complesso e cerchi di spiegarne il comportamento attraverso un modello il più semplice possibile. Sebastian Huber, Professore Associato presso l'Istituto di Fisica Teorica, ha dimostrato che questa procedura funziona anche al contrario:sviluppa sistemi macroscopici che esibiscono esattamente le stesse proprietà previste dalla teoria, ma che non sono ancora stati osservati a questo livello.

È riuscito a creare un esempio illustrativo due anni e mezzo fa. Insieme alla sua squadra, costruì un dispositivo meccanico composto da 270 pendoli collegati da molle in modo tale che l'impianto si comportasse come un isolante topologico. Ciò significa che il pendolo e le molle sono posizionati in modo tale che un'eccitazione vibrazionale dall'esterno sposti solo i pendoli ai bordi dell'installazione, ma non quelli nel mezzo (come riportato da ETH News).

Vibrazioni solo negli angoli

Il nuovo progetto, che sarà pubblicato questa settimana sulla rivista Natura , si concentra anche su un sistema macroscopico. Questa volta, però, non ha creato nessun grande dispositivo meccanico, ma un oggetto di dimensioni molto più gestibili. Con la sua squadra, Huber ha creato un wafer di silicio di 10 x 10 centimetri che consiste di 100 piccole piastre collegate tra loro tramite fasci sottili. L'aspetto chiave è che quando il wafer viene stimolato con gli ultrasuoni, vibrano solo le piastre negli angoli; gli altri piatti restano immobili, nonostante le loro connessioni.

Huber ha tratto ispirazione per il nuovo materiale da un lavoro pubblicato circa un anno fa da gruppi di Urbana-Champaign e Princeton; i ricercatori hanno presentato un nuovo approccio teorico per un isolante topologico di secondo ordine. "In un isolante topologico convenzionale, le vibrazioni si diffondono solo sulla superficie, ma non dentro, " spiega Huber. "Il fenomeno si riduce di una dimensione." Nel caso dell'installazione a pendolo, ciò significa che la disposizione bidimensionale ha portato a un modello di vibrazione unidimensionale lungo i bordi.

In un isolante topologico di secondo ordine, però, il fenomeno è ridotto di due dimensioni. Di conseguenza, con un wafer di silicio bidimensionale, la vibrazione non si verifica più lungo i bordi, ma solo negli angoli, in un punto a dimensione zero. "Siamo i primi a riuscire a creare sperimentalmente il previsto isolante topologico di ordine superiore, "dice Huber.

Un nuovo concetto teorico

Huber ha nuovamente creato qualcosa che si comporta esattamente nel modo previsto dalla teoria. Per risolvere questo "problema inverso", utilizzò un processo sistematico che sviluppò insieme al gruppo guidato da Chiara Daraio, ora professore al Caltech, e che ha pubblicato questa settimana sulla rivista Materiali della natura . Ampiamente parlando, Huber mostra come una funzionalità prevista teoricamente può essere trasformata in geometria concreta. "Nel nostro esempio, lo abbiamo testato utilizzando vibrazioni meccaniche, accoppiando elementi con modalità di vibrazione chiaramente definite utilizzando collegamenti deboli, " dice Huber. "Ma il processo può essere trasferito anche ad altre applicazioni, come ad impianti ottici o elettrici."

Espansione alla terza dimensione

Huber ha già piani chiari su come procedere:vuole realizzare un isolante topologico tridimensionale di secondo ordine, in cui le vibrazioni possono essere trasmesse unidimensionalmente. Ha recentemente ricevuto un Consolidator Grant dall'European Research Council (ERC) per questo progetto. Huber spiega l'idea di base:"Impiliamo un certo numero di queste strutture bidimensionali una sopra l'altra, in modo che emerga una forma tridimensionale. In questa forma, informazioni o energia possono essere condotte dal punto A al punto B attraverso un canale unidimensionale."

Huber può pensare ad alcune possibili applicazioni. Per esempio, tali nuovi isolanti topologici potrebbero essere utilizzati per costruire guide d'onda robuste e precise per le reti di comunicazione. Potrebbero essere utili anche nel settore energetico, ad esempio per la raccolta di energia, in cui l'energia proveniente da una fonte diffusa circostante è concentrata per uso tecnologico.

Interessante anche ai teorici

I risultati di Huber non saranno di interesse solo per ingegneri e ricercatori sui materiali, ma anche fisici teorici. "La scoperta chiave da un punto di vista teorico è che alcuni isolanti topologici di secondo ordine non possono essere descritti matematicamente come un dipolo, come lo sono gli isolanti topologici convenzionali, ma come quadrupoli, che sono molto più complessi, " spiega Huber. "Il fatto che siamo stati in grado di implementare questo sperimentalmente in una struttura macroscopica per la prima volta è quindi anche una svolta per i teorici".