I ricercatori del PSI hanno studiato un nuovo materiale cristallino che presenta proprietà elettroniche mai viste prima. È un cristallo di atomi di alluminio e platino disposti in modo speciale. Nelle celle unitarie che si ripetono simmetricamente di questo cristallo, i singoli atomi erano sfalsati l'uno dall'altro in modo tale che, come collegati nell'occhio della mente, seguissero la forma di una scala a chiocciola. Ciò ha portato a nuove proprietà del comportamento elettronico per il cristallo nel suo insieme, compresi i cosiddetti fermioni di Rarita-Schwinger al suo interno e archi di Fermi topologici molto lunghi e quadrupli sulla sua superficie. I ricercatori hanno ora pubblicato i loro risultati sulla rivista Fisica della natura .

Riportano un nuovo tipo di quasiparticella. Le quasiparticelle sono stati nel materiale che si comportano in un certo modo come vere particelle elementari. Due fisici, William Rarita e Julian Schwinger, predisse per la prima volta questo tipo di quasiparticella nel 1941, che divenne noto come fermioni di Rarita-Schwinger. Questi sono stati ora rilevati sperimentalmente per la prima volta, grazie in parte alle misurazioni presso la Swiss Synchrotron Light Source SLS al PSI.

"Per quanto ne sappiamo, siamo, contemporaneamente ad altri tre gruppi di ricerca, tra i primi a vedere i fermioni di Rarita-Schwinger, "dice Niels Schröter, ricercatore al PSI e primo autore del nuovo studio.

La ricerca di stati elettronici esotici

I ricercatori hanno scoperto le quasiparticelle mentre studiavano un nuovo materiale:uno speciale cristallo di alluminio-platino. "Se visto ad occhio nudo, il nostro cristallo era semplicemente un piccolo cubo di circa mezzo centimetro e argento nerastro, " afferma Schröter. "I nostri colleghi dell'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi di Dresda lo hanno prodotto utilizzando un processo speciale. Oltre ai ricercatori di Dresda, scienziati in Gran Bretagna, Anche la Spagna e gli Stati Uniti sono stati coinvolti nello studio in corso. L'obiettivo dei ricercatori di Dresda era ottenere una disposizione su misura degli atomi nel reticolo cristallino.

In un cristallo, ogni atomo occupa uno spazio esatto. Un gruppo spesso cubico di atomi adiacenti costituisce un elemento di base, la cosiddetta cellula unitaria. Questa si ripete in tutte le direzioni e forma così il cristallo con le sue tipiche simmetrie, visibili anche dall'esterno. Però, nel cristallo di alluminio-platino ora indagato, i singoli atomi nelle celle elementari adiacenti erano leggermente sfalsati l'uno dall'altro in modo da seguire la forma di una scala a chiocciola, una linea elicoidale. "Così ha funzionato esattamente come previsto:avevamo un cristallo chirale, " spiega Schröter.

Cristalli come due mani

I materiali chirali possono essere paragonati all'immagine speculare delle mani sinistra e destra. In alcuni cristalli chirali, l'immaginaria scala a chiocciola degli atomi corre in senso orario, e in altri, gira in senso antiorario. "Noi ricercatori troviamo i materiali chirali molto eccitanti, perché i modelli matematici fanno molte previsioni che in essi si possono trovare fenomeni fisici esotici, " spiega Vladimir Strocov, un ricercatore PSI e coautore dello studio attuale.

E questo è stato il caso del cristallo di alluminio-platino che i ricercatori hanno studiato. Utilizzando la spettroscopia a raggi X e fotoelettronica SLS, hanno reso visibili le proprietà elettroniche all'interno del cristallo. Inoltre, misurazioni complementari dello stesso cristallo presso la Diamond Light Source nell'Oxfordshire, Inghilterra, ha permesso loro di vedere le strutture elettroniche sulla sua superficie.

Queste indagini hanno mostrato che il cristallo speciale non era solo un materiale chirale, ma anche topologico. "Chiamiamo questo tipo di materiale un semimetallo topologico chirale, " Dice Strocov. "Grazie alle eccezionali capacità spettroscopiche della linea di luce ADRESS qui a SLS, ora siamo tra i primi ad aver provato sperimentalmente l'esistenza di un tale materiale."

Il mondo delle ciambelle

I materiali topologici sono diventati di dominio pubblico con il Premio Nobel per la Fisica nel 2016, quando tre ricercatori sono stati premiati per le loro indagini sulle fasi topologiche e sulle transizioni di fase.

La topologia è un campo della matematica che si occupa di strutture e forme simili tra loro. Per esempio, una palla di plastilina può essere modellata in uno stampo, un piatto, o una ciotola semplicemente premendo e tirando:queste forme sono quindi topologicamente identiche. Però, per ottenere una ciambella o un otto, devi fare dei buchi nell'argilla, uno per la ciambella, due fori per l'8.

Questa classificazione in base al numero di fori e ulteriori proprietà topologiche è già stata applicata ad altre proprietà fisiche dei materiali dagli scienziati che hanno ricevuto il Premio Nobel nel 2016. Pertanto, Per esempio, è stata sviluppata la teoria dei cosiddetti fluidi quantistici topologici.

"Il fatto che il nostro cristallo sia un materiale topologico significa che in senso figurato, il numero di fori all'interno del cristallo è diverso dal numero di fori al di fuori di esso. Perciò, al passaggio tra il cristallo e l'aria, così sulla superficie del cristallo, il numero di fori non è ben definito. Ciò che è chiaro, però, è che è qui che cambia, " spiega Schröter. "Diciamo che una transizione di fase topologica avviene sulla superficie del cristallo. Di conseguenza, vi emergono nuovi stati elettronici:gli archi topologici di Fermi."

Quasiparticelle all'interno, Archi di Fermi sulla superficie

È la combinazione di questi due fenomeni, la chiralità e la topologia del cristallo, che porta alle insolite proprietà elettroniche che differiscono anche all'interno del materiale e sulla sua superficie.

Mentre i ricercatori sono stati in grado di rilevare i fermioni di Rarita-Schwinger all'interno del materiale, misurazioni complementari presso la sorgente di radiazione di sincrotrone inglese Diamond Light Source hanno rivelato altri stati elettronici esotici sulla superficie del materiale:quattro cosiddetti archi di Fermi, che sono anche significativamente più lunghi di tutti gli archi di Fermi osservati in precedenza.

"È abbastanza chiaro che i fermioni di Rarita-Schwinger all'interno e questi speciali archi di Fermi sulla superficie sono collegati. Entrambi derivano dal fatto che si tratta di un materiale topologico chirale, " dice Schröter. "Siamo molto lieti di essere stati tra i primi a trovare un materiale del genere. Non si tratta solo di queste due proprietà elettroniche:la scoperta di materiali chirali topologici aprirà un intero parco giochi di nuovi fenomeni esotici".

I ricercatori sono interessati a nuovi materiali e al comportamento esotico degli elettroni perché alcuni di essi potrebbero essere adatti per applicazioni nell'elettronica del futuro. L'obiettivo è, ad esempio con i computer quantistici, ottenere in futuro una memorizzazione e una trasmissione dei dati sempre più dense e veloci e ridurre il consumo energetico dei componenti elettronici.