In un importante passo avanti per un'area di ricerca che ha vinto il Premio Nobel 2016 per la Fisica, un team internazionale ha scoperto che le sostanze con comportamenti elettronici esotici chiamati materiali topologici sono infatti abbastanza comuni, e includono elementi quotidiani come l'arsenico e l'oro. Il team ha creato un catalogo online per semplificare la progettazione di nuovi materiali topologici utilizzando elementi della tavola periodica.

Questi materiali hanno proprietà inaspettate e strane che hanno cambiato la comprensione degli scienziati su come si comportano gli elettroni. I ricercatori sperano che queste sostanze possano costituire la base delle tecnologie del futuro, come i dispositivi a bassa potenza e l'informatica quantistica.

"Una volta che l'analisi è stata eseguita e tutti gli errori corretti, il risultato è stato sorprendente:più di un quarto di tutti i materiali mostra una sorta di topologia, " ha detto B. Andrei Bernevig, un autore senior della carta e professore di fisica a Princeton. "La topologia è onnipresente nei materiali, non esoterico."

I materiali topologici sono intriganti perché le loro superfici possono condurre elettricità senza resistenza, quindi sono potenzialmente più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tecnologie odierne. Il loro nome deriva da una teoria sottostante che attinge alla topologia, una branca della matematica che descrive gli oggetti in base alla loro capacità di essere allungati o piegati.

Gli inizi della comprensione teorica di questi stati della materia hanno costituito la base del Premio Nobel per la Fisica 2016, condiviso tra il professore della Princeton University F. Duncan Haldane, il professore di fisica della Sherman Fairchild University, J. Michael Kosterlitz della Brown University, e David J. Thouless, Università di Washington, Seattle.

Fino ad ora, solo poche centinaia degli oltre 200, 000 materiali cristallini inorganici noti sono stati caratterizzati come topologici, e si pensava che fossero anomalie.

"Una volta completato, questo catalogo inaugurerà una nuova era del design dei materiali topologico, " Bernevig ha detto. "Questo è l'inizio di un nuovo tipo di tavola periodica in cui i composti e gli elementi sono indicizzati in base alle loro proprietà topologiche piuttosto che con mezzi più tradizionali".

Il team internazionale comprendeva ricercatori di Princeton; il Centro Internazionale di Fisica Donostia a San Sebastian, Spagna; la Fondazione Basca per la Scienza IKERBASQUE; l'Università dei Paesi Baschi; Ecole Normale Superieure Paris e Centro nazionale francese per la ricerca scientifica; e l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi.

Il team ha studiato circa 25, 000 materiali inorganici le cui strutture atomiche sono note sperimentalmente con precisione, e classificato nel database delle strutture cristalline inorganiche. I risultati mostrano che invece di essere rari, più del 27% dei materiali in natura sono topologici.

Il database appena creato consente ai visitatori di selezionare elementi dalla tavola periodica per creare composti che l'utente può quindi esplorare per le sue proprietà topologiche. Altri materiali sono attualmente in fase di analisi e collocati in un database per la futura pubblicazione.

Due fattori hanno consentito il complesso compito di classificare topologicamente i 25, 000 composti.

Primo, due anni fa, alcuni dei presenti autori hanno sviluppato una teoria, nota come chimica quantistica topologica e pubblicata in Natura nel 2017, che permetteva di classificare le proprietà topologiche di qualsiasi materiale dalla semplice conoscenza delle posizioni e della natura dei suoi atomi.

Secondo, nello studio attuale, il team ha applicato questa teoria ai composti nel database della struttura dei cristalli inorganici. Così facendo, gli autori dovevano ideare, scrivere e modificare un gran numero di istruzioni computerizzate per calcolare le energie degli elettroni nei materiali.

"Abbiamo dovuto entrare in questi vecchi programmi e aggiungere nuovi moduli che avrebbero calcolato le proprietà elettroniche richieste, " ha detto Zhijun Wang, che era un ricercatore associato post-dottorato a Princeton ed è ora professore presso il Laboratorio Nazionale di Pechino per la Fisica della Materia Condensata e l'Istituto di Fisica, Accademia cinese delle scienze.

"Avevamo quindi bisogno di analizzare questi risultati e calcolare le loro proprietà topologiche in base alla nostra metodologia di chimica quantistica topologica di recente sviluppo, " disse Luis Elcoro, professore all'Università dei Paesi Baschi di Bilbao, Spagna.

Gli autori hanno scritto diversi set di codici che ottengono e analizzano la topologia degli elettroni nei materiali reali. Gli autori hanno reso questi codici disponibili al pubblico tramite il server cristallografico di Bilbao. Con l'aiuto del Max Planck Supercomputer Center di Garching, Germania, i ricercatori hanno quindi eseguito i loro codici sul 25, 000 composti.

"Computazionalmente, era roba piuttosto incredibilmente intensa, " ha detto Nicolas Regnault, professore all'Ecole Normale Superieure, Parigi, e direttore di ricerca presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica. "Fortunatamente, la teoria ci ha mostrato che dobbiamo calcolare solo una frazione dei dati di cui avevamo bisogno in precedenza. Dobbiamo guardare a cosa "fa" l'elettrone solo in una parte dello spazio dei parametri per ottenere la topologia del sistema".

"La nostra comprensione dei materiali è diventata molto più ricca grazie a questa classificazione, " disse Maia Garcia Vergniory, un ricercatore presso il Centro Internazionale di Fisica Donostia a San Sebastian, Spagna. "È davvero l'ultima linea di comprensione delle proprietà dei materiali".

Claudia Felser, professore all'Istituto Max Planck di fisica chimica dei solidi di Dresda, Germania, aveva predetto in precedenza che anche l'oro è topologico. "Molte delle proprietà dei materiali che conosciamo, come il colore dell'oro, possono essere comprese attraverso il ragionamento topologico, " disse Felser.

Il team sta ora lavorando per classificare la natura topologica di ulteriori composti nel database. Le fasi successive riguardano l'identificazione delle mescole con la migliore versatilità, conducibilità e altre proprietà, e verificandone sperimentalmente la natura topologica. "Si può allora sognare una tavola periodica topologica completa, " ha detto Bernevig.

Lo studio, "Un catalogo completo di materiali topologici di alta qualità." Di M. G. Vergniory, L. Elcoro, Claudia Felser, Nicolas Regnault, B. Andrei Bernevig e Zhijun Wang, è stato pubblicato online sulla rivista Natura il 28 febbraio, 2019.