Gli isolanti topologici sono una delle scoperte più emozionanti del 21° secolo. Possono essere semplicemente descritti come materiali che conducono elettricità sulla loro superficie o bordo, ma sono isolanti nella loro massa interna. Le loro proprietà conduttive si basano sullo spin, una proprietà della meccanica quantistica, e questo sopprime la normale dispersione degli elettroni dalle impurità nel materiale, o altri elettroni, e la quantità di energia che di conseguenza viene persa in calore. A differenza dei superconduttori, gli isolanti topologici possono lavorare a temperatura ambiente, offrendo il potenziale per la nostra elettronica attuale da sostituire con computer quantistici e dispositivi "spintronici" che sarebbero più piccoli, Più veloce, più potente e più efficiente dal punto di vista energetico. Gli isolanti topologici sono classificati come "forti" o "deboli", e le conferme sperimentali dell'isolante topologico forte (STI) hanno rapidamente seguito le previsioni teoriche. Però, l'isolante topologico debole (WTI) era più difficile da verificare sperimentalmente, man mano che lo stato topologico emerge su particolari superfici laterali, che sono tipicamente non rilevabili nei veri cristalli 3D. In una ricerca recentemente pubblicata in Natura , un team di ricercatori giapponesi ha utilizzato tecniche di sincrotrone per fornire prove sperimentali dello stato WTI in un cristallo di ioduro di bismuto.

I cristalli quasi unidimensionali (1-D) di ioduro di bismuto α-Bi4I4 e β-Bi4I4 hanno strutture molto simili, differiscono solo nelle loro sequenze di impilamento lungo l'asse c. Questa piccola differenza di struttura porta ad una sostanziale differenza nella resistività delle due fasi, sia in magnitudine assoluta che in dipendenza dalla temperatura. A temperatura ambiente avvengono transizioni del primo ordine tra le due fasi cristalline, con la fase α più resistiva che si forma preferenzialmente quando il campione viene raffreddato lentamente.

Il team di ricerca ha utilizzato misurazioni della spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta basata su laser (ARPES) con risoluzioni di energia e momento elevate per determinare le strutture elettroniche di α-Bi4I4 e β-Bi4I4. Hanno osservato una sovrapposizione dei segnali ARPES dai piani (001) e (100) in questi esperimenti, perché il punto laser era molto più grande di ogni terrazza e sfaccettatura esposta su una superficie tagliata. In -Bi4I4, hanno osservato una dispersione di energia simile a un cono di Dirac vicino all'energia di Fermi, EF:stato anomalo che non è stato rilevato nel banale α-Bi4I4, e che dovrebbe essere dovuto a una superficie topologica. Uno stato simile quasi-1D è stato confermato tramite ARPES a un'energia fotonica più elevata. L'unica spiegazione possibile per lo stato di Dirac quasi-1D osservato è che derivi dalla superficie laterale topologica (100) di un WTI.

Per esaminare esclusivamente la superficie WTI, si sono rivolti a una tecnica ARPES selettiva per la superficie:nano-ARPES. Nano-ARPES (nARPES) è uno sviluppo entusiasmante nelle tecniche di sincrotrone, che combina l'elevata risoluzione spaziale di un microscopio con la risoluzione in energia e quantità di moto della tecnica ARPES. Il ramo nARPES della linea di luce I05 dispone di una stazione terminale che fornisce ARPES risolti spazialmente da spot di dimensioni ultra-piccole. Utilizzando un raggio di fotoni focalizzato su un punto di dimensioni inferiori a 1 μm, il team è stato in grado di osservare l'aereo (100) senza alcuna contaminazione.

Lo stato WTI

I ricercatori hanno ottenuto una mappa di intensità microscopica per una piccola superficie di scollatura, utilizzando nARPES prima delle misurazioni risolte dall'angolo

Hanno quindi osservato uno stato della superficie topologica di Dirac quasi unidimensionale sulla superficie laterale (il piano (100)), mentre la superficie superiore (il piano (001)) è topologicamente scura con assenza di stati di superficie topologici. I loro risultati hanno visualizzato lo stato WTI realizzato in β-Bi4I4, e hanno mostrato che una transizione cristallina dalla fase alla fase α guida una transizione di fase topologica da un WTI non banale a un normale isolante a temperatura ambiente.

Lo stato WTI identificato potrebbe avere diverse implicazioni scientifiche e tecnologiche. Poiché è considerato l'analogo 3-D dell'isolatore Quantum spin Hall (QSH), e potrebbe generare una corrente di spin altamente direzionale su un'ampia superficie laterale del cristallo 3-D, la sua scoperta dovrebbe stimolare ulteriori studi approfonditi sui fenomeni quantistici esotici. Nello ioduro di bismuto l'emergere di robuste correnti di spin può essere controllata selezionando fasi cristalline che siano topologiche o non topologiche, intorno alla temperatura ambiente.

Questa ricerca è quindi un passo verso la ricerca di base e tecnologica sugli analoghi 3-D degli isolatori QSH, e potrebbe infine portare a nuove tecnologie elettroniche e spintroniche.