La realizzazione dei cosiddetti materiali topologici, che esibiscono elementi esotici, proprietà di resistenza ai difetti e dovrebbero avere applicazioni in elettronica, ottica, informatica quantistica, e altri campi, ha aperto un nuovo regno nella scoperta dei materiali.

Molti dei materiali topologici più studiati fino ad oggi sono noti come isolanti topologici. Le loro superfici dovrebbero condurre elettricità con pochissima resistenza, in qualche modo simile ai superconduttori ma senza la necessità di temperature incredibilmente fredde, mentre i loro interni - il cosiddetto "bulk" del materiale - non conducono corrente.

Ora, un team di ricercatori che lavorano presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha scoperto il conduttore topologico più forte di sempre, sotto forma di campioni di cristallo sottili che hanno una struttura a scala a chiocciola. Lo studio del team sui cristalli, cristalli chirali topologici soprannominati, è riportato nell'edizione del 20 marzo della rivista Natura .

La struttura a spirale simile al DNA, o elicoidale, nel campione di cristallo che è stato al centro dell'ultimo studio mostra una chiralità o "mano, poiché una persona può essere sia mancina che destrorsa, e la mano sinistra è un'immagine speculare della mano destra. Le proprietà chirali in alcuni casi possono essere capovolte, come un mancino che diventa destrorso.

"In questo nuovo lavoro stiamo essenzialmente dimostrando che questo è un nuovo stato della materia quantistica, che mostra anche proprietà superficiali topologiche quasi ideali che emergono come conseguenza della chiralità della struttura cristallina, " ha detto il signor Zahid Hasan, un pioniere dei materiali topologici che ha guidato la teoria e gli esperimenti sui materiali come scienziato della facoltà in visita nella Divisione di scienze dei materiali presso il Berkeley Lab. Hasan è anche il professore di fisica Eugene Higgins alla Princeton University.

Una proprietà che definisce la conduttività topologica, che è correlata alla conduttività elettrica della superficie del materiale, è stata misurata essere circa 100 volte più grande di quella osservata nei metalli topologici precedentemente identificati.

Questa proprietà, noto come arco di Fermi di superficie, è stato rivelato negli esperimenti a raggi X presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab utilizzando una tecnica nota come spettroscopia di fotoemissione. L'ALS è un sincrotrone che produce luce intensa, dagli infrarossi ai raggi X ad alta energia, per dozzine di esperimenti simultanei.

La topologia è un concetto matematico ben consolidato che si riferisce alla conservazione delle proprietà geometriche di un oggetto anche se un oggetto viene allungato o deformato in altri modi. Alcune delle sue applicazioni sperimentali nei materiali elettronici 3D, come la scoperta dei comportamenti topologici nelle strutture elettroniche dei materiali, sono state realizzate solo poco più di un decennio fa, con i primi e continui contributi di Berkeley Lab.

"Dopo più di 12 anni di ricerca in fisica topologica e materiali, Credo che questa sia solo la punta dell'iceberg, Hasan ha aggiunto. "In base alle nostre misurazioni, questo è il più robusto, metallo conduttore topologicamente protetto che nessuno ha scoperto:ci sta portando verso una nuova frontiera".

Topologicamente protetto significa che alcune delle proprietà del materiale sono affidabili e costanti anche se il materiale non è perfetto. Questa qualità rafforza anche la possibilità futura di applicazioni pratiche e producibilità per questi tipi di materiali.

Ilya Belopolski, un ricercatore di Princeton che ha partecipato sia al lavoro teorico che sperimentale, ha notato che una proprietà particolarmente interessante dei cristalli studiati, che includevano cristalli di silicio-cobalto e silicio-rodio, è che possono produrre una corrente elettrica di intensità fissa quando si fa luce su di essi.

"Le nostre precedenti teorie hanno dimostrato che, in base alle proprietà elettroniche del materiale che ora abbiamo osservato, la corrente sarebbe fissata a valori specifici, " ha detto. "Non importa quanto sia grande il campione, o se è sporco. È un valore universale. È stupefacente. Per le applicazioni, le prestazioni saranno le stesse".

In precedenti esperimenti presso la SLA, Il team di Hasan aveva rivelato l'esistenza di un tipo di quasiparticelle senza massa note come fermioni di Weyl, la cui esistenza era nota solo in teoria da circa 85 anni.

I fermioni di Weyl, che sono stati osservati in cristalli sintetici di un semimetallo chiamato arseniuro di tantalio, mostrano alcune proprietà elettroniche simili a quelle trovate nei cristalli utilizzati nell'ultimo studio, ma mancavano dei loro tratti chirali. I semimetalli sono materiali che hanno alcune proprietà metalliche e alcune proprietà non metalliche.

"Il nostro precedente lavoro sui semimetalli Weyl ha aperto la strada alla ricerca su conduttori topologici esotici, " ha affermato Hasan. In uno studio del novembre 2017 incentrato sulla teoria che circonda questi materiali esotici, Il team di Hasan ha previsto che gli elettroni nel rodio-silicio e in molti materiali correlati si comportano in modi molto insoliti.

Il team aveva previsto che le quasiparticelle nel materiale, descritte dal movimento collettivo degli elettroni, emergono come elettroni senza massa e dovrebbero comportarsi come rallentati, particelle di luce 3-D, con precisi tratti di manualità o chiralità a differenza degli isolanti topologici o del grafene.

Anche, i loro calcoli, pubblicato il 1 ottobre 2018 nel Materiali della natura rivista, ha suggerito che gli elettroni nei cristalli si sarebbero comportati collettivamente come se fossero monopoli magnetici nel loro movimento. I monopoli magnetici sono particelle ipotetiche con un unico polo magnetico, come la Terra senza un polo sud che può muoversi indipendentemente da un polo nord.

Tutto questo insolito comportamento topologico punta verso la natura chirale dei campioni di cristallo, che creano una struttura elettronica a spirale o "elicoidale", come osservato negli esperimenti, Hasan ha notato.

I campioni studiati, che contengono cristalli che misurano fino a un paio di millimetri di diametro, sono stati preparati in anticipo da diverse fonti internazionali. I cristalli sono stati caratterizzati dal gruppo di Hasan presso il Laboratorio di Princeton per la materia quantistica topologica e la spettroscopia avanzata utilizzando un microscopio a effetto tunnel a scansione a bassa temperatura in grado di scansionare campioni su scala atomica, e i campioni sono stati poi trasportati al Berkeley Lab.

Prima di studiare alla SLA, i campioni sono stati sottoposti a un trattamento di lucidatura specializzato presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, una struttura di ricerca scientifica su nanoscala. Daniel Sanchez e Tyler Cochran, I ricercatori di Princeton che hanno contribuito allo studio, ha affermato che i campioni per tali studi sono in genere "spaccati, " o rotti in modo che siano atomicamente piatti.

Ma in questo caso, i legami cristallini erano molto forti perché i cristalli hanno una forma cubica. Quindi i membri del team hanno lavorato con lo staff della Molecular Foundry per sparare atomi di argon ad alta energia sui campioni di cristallo per pulirli e appiattirli, e poi ricristallizzato e lucidato i campioni attraverso un processo di riscaldamento.

I ricercatori hanno utilizzato due diverse linee di raggi X presso l'ALS (Beamline 10.0.1 e Beamline 4.0.3) per scoprire le insolite proprietà elettroniche e di spin dei campioni di cristallo.

Poiché il comportamento elettronico nei campioni sembra imitare la chiralità nella struttura dei cristalli, Hasan ha detto che ci sono molte altre strade da esplorare, come testare se la superconduttività può essere trasferita attraverso altri materiali al conduttore topologico.

"Questo potrebbe portare a un nuovo tipo di superconduttore, " Egli ha detto, "o l'esplorazione di un nuovo effetto quantistico. È possibile avere un superconduttore topologico chirale?"

Anche, mentre le proprietà topologiche osservate nei cristalli di rodio-silicio e cobalto-silicio nell'ultimo studio sono considerate ideali, ci sono molti altri materiali che sono stati identificati che potrebbero essere studiati per valutare il loro potenziale per prestazioni migliorate per applicazioni del mondo reale, disse Hasan.

"Si scopre che la stessa fisica potrebbe essere realizzata anche in altri composti in futuro che sono più adatti per i dispositivi, " Egli ha detto.

"È un'immensa soddisfazione quando prevedi qualcosa di esotico e compare anche negli esperimenti di laboratorio, "Hasan ha aggiunto, rilevando i precedenti successi del suo team nella previsione delle proprietà topologiche dei materiali. "Con previsioni teoriche definitive, abbiamo combinato teoria ed esperimenti per far avanzare la frontiera della conoscenza."