I ricercatori hanno prodotto una dimostrazione su "scala umana" di una nuova fase della materia chiamata isolanti topologici quadrupolari che è stata recentemente prevista utilizzando la fisica teorica. Questi sono i primi risultati sperimentali per convalidare questa teoria.

I ricercatori riportano i loro risultati sulla rivista Natura .

Il lavoro del team con i QTI è nato dalla comprensione decennale delle proprietà di una classe di materiali chiamati isolanti topologici. "I TI sono isolanti elettrici all'interno e conduttori lungo i loro confini, e può avere un grande potenziale per aiutare a costruire a bassa potenza, computer e dispositivi robusti, tutto definito su scala atomica, ", ha affermato il professore di scienze meccaniche e ingegneria e ricercatore senior Gaurav Bahl.

Le proprietà non comuni dei TI li rendono una forma speciale di materia elettronica. "Le raccolte di elettroni possono formare le proprie fasi all'interno dei materiali. Questi possono essere solidi familiari, fasi liquide e gassose come l'acqua, ma a volte possono anche formare fasi più insolite come una TI, ", ha detto il coautore e professore di fisica Taylor Hughes.

TI tipicamente esistono nei materiali cristallini e altri studi confermano le fasi TI presenti nei cristalli naturali, ma ci sono ancora molte previsioni teoriche che devono essere confermate, ha detto Hughes.

Una di queste previsioni era l'esistenza di un nuovo tipo di TI con una proprietà elettrica nota come momento di quadrupolo. "Gli elettroni sono singole particelle che trasportano una carica in un materiale, " ha detto lo studente laureato in fisica Wladimir Benalcazar. "Abbiamo scoperto che gli elettroni nei cristalli possono organizzarsi collettivamente per dare origine non solo a unità di dipolo di carica - cioè, accoppiamenti di cariche positive e negative - ma anche multipoli di ordine superiore in cui quattro o otto cariche sono riunite in un'unità. Il membro più semplice di queste classi di ordine superiore sono i quadrupoli in cui sono accoppiate due cariche positive e due negative".

Attualmente non è possibile progettare un materiale atomo per atomo, figuriamoci controllare il comportamento quadrupolare degli elettroni. Anziché, il team ha costruito un analogo su scala praticabile di un QTI utilizzando un materiale creato da circuiti stampati. Ogni circuito contiene un quadrato di quattro risonatori identici, dispositivi che assorbono le radiazioni elettromagnetiche a una frequenza specifica. Le schede sono disposte in uno schema a griglia per creare l'analogo completamente in cristallo.

"Ogni risonatore si comporta come un atomo, e le connessioni tra loro si comportano come legami tra atomi, " disse Kitt Peterson, l'autore principale e uno studente laureato in ingegneria elettrica. "Applichiamo radiazioni a microonde al sistema e misuriamo quanto viene assorbito da ciascun risonatore, che ci dice come si comporteranno gli elettroni in un cristallo analogo. Più radiazione a microonde viene assorbita da un risonatore, più è probabile che trovi un elettrone sull'atomo corrispondente."

Il dettaglio che rende questo un QTI e non un TI è il risultato delle specificità delle connessioni tra i risonatori, hanno detto i ricercatori.

"I bordi di un QTI non sono conduttivi come vedresti in un tipico TI, "Bahl ha detto, "Invece solo gli angoli sono attivi, questo è, i bordi dei bordi, e sono analoghe alle quattro cariche puntiformi localizzate che formerebbero il cosiddetto momento di quadrupolo. Esattamente come avevano predetto Taylor e Wladimir".

"Abbiamo misurato la quantità di radiazione a microonde assorbita da ciascun risonatore all'interno del nostro QTI, confermando gli stati di risonanza in una precisa gamma di frequenze e localizzata precisamente negli angoli, " ha detto Peterson. "Questo indicava l'esistenza di stati protetti previsti che sarebbero stati riempiti da elettroni per formare quattro cariche angolari".

Quelle spese d'angolo di questa nuova fase della materia elettronica potrebbero essere in grado di memorizzare dati per le comunicazioni e l'informatica. "Questo potrebbe non sembrare realistico usando il nostro modello a 'scala umana', "Ha detto Hughes. "Tuttavia, quando pensiamo ai QTI su scala atomica, enormi possibilità diventano evidenti per i dispositivi che eseguono il calcolo e l'elaborazione delle informazioni, forse anche a livelli inferiori a quelli che possiamo raggiungere oggi".

I ricercatori hanno affermato che l'accordo tra esperimento e previsione ha offerto la promessa che gli scienziati stanno iniziando a comprendere la fisica dei QTI abbastanza bene per l'uso pratico.

"Come fisici teorici, Wladimir ed io potevamo prevedere l'esistenza di questa nuova forma di materia, ma finora non è stato trovato nessun materiale che abbia queste proprietà, "Ha detto Hughes. "La collaborazione con gli ingegneri ha contribuito a trasformare la nostra previsione in realtà".