I ricercatori SLAC/Stanford hanno commutato un materiale dentro e fuori uno stato topologico con nuove proprietà elettroniche. Gli scienziati hanno controllato l'interruttore con una forma invisibile di luce, chiamata radiazione terahertz, che faceva oscillare avanti e indietro gli strati del materiale. Credito:Edbert Sie/Università di Stanford; Ella Maru Studio
Una strana caratteristica di alcuni materiali esotici consente agli elettroni di viaggiare da una superficie all'altra del materiale come se non ci fosse nulla in mezzo. Ora, i ricercatori hanno dimostrato di poter attivare e disattivare questa funzione attivando e disattivando un materiale da uno stato topologico stabile con impulsi di luce. Il metodo potrebbe fornire un nuovo modo di manipolare materiali che potrebbero essere utilizzati in futuri computer quantistici e dispositivi che trasportano corrente elettrica senza perdite.
I materiali topologici sono particolarmente interessanti per queste applicazioni perché i loro stati elettronici sono straordinariamente resistenti alle perturbazioni esterne, come il riscaldamento, pressione meccanica e difetti del materiale. Ma per utilizzare questi materiali, gli scienziati hanno anche bisogno di modi per mettere a punto le loro proprietà.
"Qui, abbiamo trovato un mezzo ultraveloce ed efficiente dal punto di vista energetico per utilizzare la luce come perturbazione esterna per guidare un materiale dentro e fuori dal suo stato topologico stabile, " ha detto Aaron Lindenberg, ricercatore principale dello studio e professore associato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia e la Stanford University.
Il team SLAC/Stanford ha pubblicato i risultati in Natura .
Controllo della topologia con la luce
In matematica, La topologia descrive come un oggetto geometrico può trasformarsi in varie forme senza perdere determinate proprietà. Per esempio, una sfera può trasformarsi in un disco piatto ma non in una ciambella, perché ciò richiederebbe di fare un buco.
Nei materiali, il concetto di topologia è più astratto, ma allo stesso modo porta a una robustezza straordinaria:i materiali allo stato topologico mantengono le loro proprietà esotiche, come la capacità di condurre elettricità con perdite minime, sotto perturbazione esterna.
Impulsi di radiazione terahertz spostano gli strati atomici vicini nel materiale topologico ditelluride di tungsteno in direzioni opposte, distorcere la struttura atomica del materiale. Seguendo un impulso, la struttura oscilla, con strati che oscillano avanti e indietro attorno alle loro posizioni originali. Oscillando in una direzione, il materiale perde le sue proprietà topologiche. Oscillando nell'altra direzione, diventano più stabili. Per chiarezza, i movimenti sono stati esagerati in questa animazione. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Questi materiali offrono una piattaforma entusiasmante per comprendere nuovi concetti nella fisica dei materiali, e abbiamo imparato attivamente nuovi modi di utilizzare il loro potenziale unico, " ha detto Edbert Sie, un membro del Geballe Laboratory for Advanced Materials di Stanford che lavora con Lindenberg e uno degli autori principali del nuovo studio. La ricerca sui materiali topologici è stata insignita del Premio Nobel 2016 per la Fisica e del Premio Breakthrough 2019.
Sebbene i materiali topologici siano noti per la loro stabilità, certe perturbazioni possono anche farli uscire dal loro stato stabile. "Nel nostro lavoro, stiamo cercando modi per utilizzare la luce e la deformazione per manipolare materiali topologici e creare nuovi stati materiali che potrebbero essere utili per applicazioni future, "Si disse.
Questo studio si è concentrato su un materiale topologico chiamato ditelluride di tungsteno, che è fatto di strati bidimensionali impilati. Gli scienziati hanno già proposto che quando il materiale è nel suo stato topologico, la particolare disposizione degli atomi in quegli strati può generare i cosiddetti nodi di Weyl che esibiscono proprietà elettroniche uniche come la conduttività a resistenza zero. Questi punti possono essere pensati come caratteristiche simili a un wormhole che incanalano gli elettroni tra le superfici opposte del materiale.
Sie e i suoi colleghi hanno deciso di modificare le proprietà del materiale con impulsi di radiazione terahertz, una forma invisibile di luce le cui lunghezze d'onda si trovano tra la radiazione infrarossa e quella a microonde. Ciò che trovarono li colse di sorpresa:con la luce, sono stati in grado di commutare rapidamente il materiale tra il suo stato topologico e uno stato non topologico, spegnere e riaccendere efficacemente lo stato di resistenza zero.
"È la prima volta che qualcuno vede questo comportamento di commutazione, " disse Clara Nyby, uno studente laureato del team di Lindenberg e un altro autore principale dello studio. "L'uso della radiazione terahertz è stata la chiave qui perché la sua energia può guidare in modo efficiente questo movimento".
Schema della "fotocamera elettronica" ultraveloce di SLAC. Lo strumento invia un fascio di elettroni ad alta energia (linea blu tratteggiata) attraverso un campione, generando un pattern di intensità di elettroni sparsi su un rivelatore (schema di diffrazione a destra). Il modello e i suoi cambiamenti nel tempo rivelano la struttura del campione e i movimenti ultraveloci in dettaglio atomico. In questo particolare esperimento, un team SLAC/Stanford ha studiato i movimenti in un materiale topologico in risposta alla radiazione terahertz (freccia rosa). Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
La "fotocamera elettronica" ultraveloce rivela il cambio di materiale
Per scoprire cosa è successo esattamente nel materiale, i ricercatori hanno utilizzato lo strumento SLAC per la diffrazione elettronica ultraveloce (UED) - una "fotocamera elettronica" ad alta velocità - per scattare istantanee rapide della struttura atomica del materiale subito dopo essere stato colpito da un impulso terahertz.
Hanno scoperto che gli impulsi spostavano gli strati atomici vicini in direzioni opposte, distorcere la struttura atomica del materiale. La struttura cominciò a oscillare, con i livelli che oscillano avanti e indietro attorno alle loro posizioni originali (vedi l'animazione sopra). Oscillando in una direzione, il materiale ha perso la sua proprietà topologica. Oscillando nell'altra direzione, la proprietà ricomparve e divenne più stabile.
"Ci sono molti movimenti atomici che possono potenzialmente verificarsi nel materiale, " ha detto il co-autore Xijie Wang, capo del team UED di SLAC. "La combinazione di impulsi terahertz e UED, usato qui per la prima volta, reso possibile questo esperimento. Ci ha permesso di identificare rapidamente questo particolare movimento oscillatorio".
Co-autore Das Pemmaraju, uno scienziato dello staff associato presso SLAC, disse, "I dati UED sono stati anche la base per i calcoli della struttura elettronica del materiale e della sua risposta alla radiazione terahertz. I nostri risultati dimostrano che la radiazione spinge il materiale fuori dal suo stato topologico e poi di nuovo in esso".
Resta da vedere come questo meccanismo di commutazione, per il quale la squadra ha ottenuto un brevetto provvisorio, può essere effettivamente utilizzato. "È all'inizio del gioco, " Ha detto Sie. "Ma il fatto che possiamo manipolare i materiali topologici in un modo piuttosto semplice usando la luce e la deformazione è di grande potenziale".
Prossimo, gli scienziati vogliono applicare il loro metodo a più materiali e studiare come queste modifiche strutturali cambiano le loro proprietà elettroniche, esplorare ulteriormente il mondo della scienza dei materiali topologici.
