Un motivo dell'intreccio di cesti giapponese noto come motivo kagome ha preoccupato i fisici per decenni. I cestini Kagome sono in genere realizzati con strisce di bambù intrecciate in un motivo altamente simmetrico di intrecciati, triangoli che condividono gli angoli.

Se un metallo o un altro materiale conduttivo potesse essere fatto per assomigliare a un tale modello kagome su scala atomica, con singoli atomi disposti in schemi triangolari simili, dovrebbe in teoria esibire proprietà elettroniche esotiche.

In un articolo pubblicato oggi in Natura , fisici del MIT, Università di Harvard, e il Lawrence Berkeley National Laboratory riferiscono di aver prodotto per la prima volta un metallo kagome - un cristallo elettricamente conduttore, costituito da strati di atomi di ferro e stagno, con ogni strato atomico disposto secondo lo schema ripetuto di un reticolo kagome.

Quando hanno fatto scorrere una corrente attraverso gli strati di kagome all'interno del cristallo, i ricercatori hanno osservato che la disposizione triangolare degli atomi induceva strani, comportamenti di tipo quantistico nella corrente che passa. Invece di fluire dritto attraverso il reticolo, gli elettroni invece hanno virato, o piegato all'indietro all'interno del reticolo.

Questo comportamento è un cugino tridimensionale del cosiddetto effetto Quantum Hall, in cui gli elettroni che fluiscono attraverso un materiale bidimensionale mostreranno un "chirale, stato topologico, "in cui si piegano stretti, percorsi circolari e scorrono lungo i bordi senza perdere energia.

"Costruendo la rete di ferro kagome, che è intrinsecamente magnetico, questo comportamento esotico persiste a temperatura ambiente e oltre, "dice Joseph Checkelsky, assistente professore di fisica al MIT. "Le cariche nel cristallo non sentono solo i campi magnetici di questi atomi, ma anche una forza magnetica puramente quantomeccanica proveniente dal reticolo. Questo potrebbe portare a una conduzione perfetta, simile alla superconduttività, nelle future generazioni di materiali."

Per esplorare questi risultati, il team ha misurato lo spettro energetico all'interno del cristallo, usando una versione moderna di un effetto scoperto per la prima volta da Heinrich Hertz e spiegato da Einstein, noto come effetto fotoelettrico.

"Fondamentalmente, gli elettroni vengono prima espulsi dalla superficie del materiale e quindi rilevati in funzione dell'angolo di decollo e dell'energia cinetica, "dice Riccardo Comin, un assistente professore di fisica al MIT. "Le immagini risultanti sono un'istantanea molto diretta dei livelli elettronici occupati dagli elettroni, e in questo caso hanno rivelato la creazione di particelle "Dirac" quasi prive di massa, una versione caricata elettricamente di fotoni, i quanti di luce."

Gli spettri hanno rivelato che gli elettroni fluiscono attraverso il cristallo in un modo che suggerisce che gli elettroni originariamente privi di massa hanno acquisito una massa relativistica, simili a particelle note come fermioni massicci di Dirac. Teoricamente, ciò è spiegato dalla presenza degli atomi di ferro e stagno costituenti il ​​reticolo. I primi sono magnetici e danno luogo a una "mano, " o chiralità. Questi ultimi possiedono una carica nucleare più pesante, producendo un grande campo elettrico locale. Quando scorre una corrente esterna, percepisce il campo dello stagno non come campo elettrico ma come campo magnetico, e si allontana.

Il gruppo di ricerca è stato guidato da Checkelsky e Comin, così come gli studenti laureati Linda Ye e Min Gu Kang in collaborazione con Liang Fu, il Professore Associato di Fisica Biedenharn, e postdoc Junwei Liu. Il team include anche Christina Wicker '17, scienziato ricercatore Takehito Suzuki del MIT, Felix von Cube e David Bell di Harvard, e Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, ed Eli Rotenberg del Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Nessuna alchimia richiesta"

I fisici hanno teorizzato per decenni che i materiali elettronici potrebbero supportare il comportamento esotico della sala quantistica con il loro carattere magnetico intrinseco e la geometria del reticolo. Solo diversi anni fa i ricercatori hanno compiuto progressi nella realizzazione di tali materiali.

"La comunità si è resa conto, perché non creare il sistema con qualcosa di magnetico, e quindi il magnetismo intrinseco del sistema potrebbe forse guidare questo comportamento, "dice Checkelsky, che all'epoca lavorava come ricercatore presso l'Università di Tokyo.

Ciò ha eliminato la necessità di campi prodotti in laboratorio, tipicamente 1 milione di volte più forte del campo magnetico terrestre, necessario osservare questo comportamento.

"Diversi gruppi di ricerca sono stati in grado di indurre un effetto Quantum Hall in questo modo, ma ancora a temperature ultrafredde di pochi gradi sopra lo zero assoluto - il risultato del magnetismo calzante in un materiale dove non si trovava naturalmente, "dice Checkelsky.

Al MIT, Checkelsky ha invece cercato modi per guidare questo comportamento con il "magnetismo intrinseco". Un'intuizione chiave, motivato dal lavoro di dottorato di Evelyn Tang PhD '15 e del professor Xiao-Gang Wen, era cercare questo comportamento nel reticolo di kagome. Fare così, primo autore Hai macinato ferro e stagno, quindi riscaldato la polvere risultante in una fornace, producendo cristalli a circa 750 gradi Celsius - la temperatura alla quale gli atomi di ferro e stagno preferiscono disporre in uno schema simile al kagome. Ha poi immerso i cristalli in un bagno di ghiaccio per consentire ai reticoli di rimanere stabili a temperatura ambiente.

"Il motivo kagome ha grandi spazi vuoti che potrebbero essere facili da tessere a mano, ma sono spesso instabili nei solidi cristallini che preferiscono il miglior impaccamento di atomi, " Ye dice. "Il trucco qui era riempire questi vuoti con un secondo tipo di atomo in una struttura che fosse almeno stabile alle alte temperature. Realizzare questi materiali quantistici non ha bisogno dell'alchimia, ma invece scienza dei materiali e pazienza."

Piegarsi e saltare verso la perdita di energia zero

Una volta che i ricercatori hanno coltivato diversi campioni di cristalli, ciascuno largo circa un millimetro, hanno consegnato i campioni ai collaboratori di Harvard, che ha ripreso i singoli strati atomici all'interno di ciascun cristallo utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione. Le immagini risultanti hanno rivelato che la disposizione degli atomi di ferro e stagno all'interno di ogni strato assomigliava ai modelli triangolari del reticolo del kagome. Nello specifico, atomi di ferro erano posizionati agli angoli di ogni triangolo, mentre un singolo atomo di stagno si trovava all'interno dello spazio esagonale più ampio creato tra i triangoli intrecciati.

Ye quindi ha fatto passare una corrente elettrica attraverso gli strati cristallini e ha monitorato il loro flusso tramite tensioni elettriche che hanno prodotto. Ha scoperto che le cariche deviavano in un modo che sembrava bidimensionale, nonostante la natura tridimensionale dei cristalli. La prova definitiva è arrivata dagli esperimenti sui fotoelettroni condotti dal co-primo autore Kang che, in concerto con il team LBNL, è stato in grado di dimostrare che gli spettri elettronici corrispondevano effettivamente a elettroni bidimensionali.

"Osservando da vicino le bande elettroniche, abbiamo notato qualcosa di insolito, " Kang aggiunge. "Gli elettroni in questo materiale magnetico si sono comportati come particelle Dirac massicce, qualcosa che era stato previsto molto tempo fa ma mai visto prima in questi sistemi".

"La capacità unica di questo materiale di intrecciare magnetismo e topologia suggerisce che potrebbero generare altri fenomeni emergenti, "Comin dice. "Il nostro prossimo obiettivo è rilevare e manipolare gli stati limite che sono la conseguenza stessa della natura topologica di queste fasi elettroniche quantistiche appena scoperte".

Guardando oltre, il team sta ora studiando modi per stabilizzare altre strutture reticolari kagome più bidimensionali. Tali materiali, se possono essere sintetizzati, potrebbe essere utilizzato per esplorare non solo dispositivi con perdita di energia zero, come linee elettriche senza dissipazione, ma anche applicazioni verso l'informatica quantistica.

"Per nuove direzioni nella scienza dell'informazione quantistica c'è un crescente interesse per nuovi circuiti quantistici con percorsi privi di dissipazione e chirali, " Dice Checkelsky. "Questi metalli kagome offrono un nuovo percorso di progettazione dei materiali per realizzare queste nuove piattaforme per i circuiti quantistici".