Nel 2005, i fisici della materia condensata Charles Kane ed Eugene Mele hanno considerato il destino del grafene a basse temperature. Il loro lavoro ha portato alla scoperta di un nuovo stato della materia chiamato "isolante topologico, " che avrebbe inaugurato una nuova era della scienza dei materiali.

"Un isolante topologico è un materiale che è un isolante al suo interno ma è altamente conduttivo sulla sua superficie, " ha detto Andrea Young, assistente professore di fisica all'Università di Santa Barbara. In due dimensioni, un isolante topologico ideale avrebbe conduttanza "balistica" ai suoi bordi, Young ha spiegato, il che significa che gli elettroni che viaggiano attraverso la regione incontrerebbero una resistenza zero.

Ironia della sorte, mentre il lavoro di Kane e Mele porterebbe alla scoperta del comportamento isolante topologico in un'ampia varietà di materiali, la loro previsione originale - di un isolante topologico in grafene - è rimasta irrealizzata.

Al centro del problema c'è l'accoppiamento spin-orbita, un effetto debole in cui lo spin dell'elettrone interagisce con il suo movimento orbitale attorno al nucleo. Critico per tutti gli isolanti topologici, l'accoppiamento spin-orbita è eccezionalmente debole nel grafene, in modo che qualsiasi comportamento isolante topologico venga attutito da altri effetti derivanti dalla superficie su cui è appoggiato il grafene.

"Il debole accoppiamento spin-orbita nel grafene è un vero peccato, " ha detto il ricercatore post-dottorato Joshua Island, perché in pratica le cose non sono andate molto bene per gli isolanti topologici in due dimensioni. "Gli isolanti topologici bidimensionali conosciuti fino ad oggi sono disordinati e non molto facili da lavorare, " disse Island. La conduttanza ai bordi tende a diminuire rapidamente con la distanza percorsa dagli elettroni, suggerendo che è tutt'altro che balistico. Realizzando un isolante topologico in grafene, un materiale bidimensionale altrimenti altamente perfetto, potrebbe fornire una base per circuiti elettrici balistici a bassa dissipazione o formare il substrato materiale per bit quantistici topologicamente protetti.

Ora, in un lavoro pubblicato sulla rivista Natura , Isola, Young e i loro collaboratori hanno trovato un modo per trasformare il grafene in un isolante topologico (TI). "L'obiettivo del progetto era aumentare o migliorare l'accoppiamento spin-orbita nel grafene, "L'autore principale Island ha detto, aggiungendo che negli anni sono stati fatti tentativi con scarso successo. "Un modo per farlo è mettere un materiale che ha un accoppiamento spin-orbita molto grande nelle immediate vicinanze del grafene. La speranza era che così facendo i tuoi elettroni di grafene assumessero questa proprietà del materiale sottostante, " Lui ha spiegato.

Il materiale scelto? Dopo aver studiato diverse possibilità, i ricercatori hanno optato per un dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD), costituito dal tungsteno metallo di transizione e il selenio calcogeno. Simile al grafene, il diseleniuro di tungsteno è disponibile in monostrati bidimensionali, legati insieme dalle forze di van der Waals, che sono interazioni relativamente deboli e dipendenti dalla distanza tra atomi o molecole. A differenza del grafene, però, gli atomi più pesanti del TMD portano a un accoppiamento spin-orbita più forte. La conduttanza elettronica balistica del grafene del dispositivo risultante è impregnata del forte accoppiamento spin-orbita del vicino strato TMD.

"Abbiamo visto un miglioramento molto chiaro di quell'accoppiamento spin-orbita, " disse Isola.

"Aggiungendo un accoppiamento spin-orbita del tipo giusto, Joshua è stato in grado di scoprire che questo in effetti porta a una nuova fase che è quasi topologicamente isolante, " disse Young. Nell'idea originale, Lui ha spiegato, l'isolante topologico era costituito da un monostrato di grafene con un forte accoppiamento spin-orbita.

"Abbiamo dovuto usare un trucco disponibile solo nei multistrati di grafene per creare il giusto tipo di accoppiamento spin-orbita, " Young ha spiegato del loro esperimento, che utilizzava un doppio strato di grafene. "E così ottieni qualcosa che si avvicina a due isolanti topologici impilati uno sopra l'altro". Funzionalmente, però, Il dispositivo dell'isola si comporta come altri noti isolanti topologici 2-D:gli stati marginali più importanti si propagano per almeno diversi micron, molto più lungo che in altri materiali TI noti.

Per di più, secondo Young, questo lavoro è un passo avanti verso la costruzione di un vero isolante topologico con il grafene. "Da allora il lavoro teorico ha dimostrato che un tristrato di grafene, fabbricato allo stesso modo, porterebbe a un vero isolante topologico."

Più importante, i dispositivi realizzati da Island e Young possono essere facilmente sintonizzati tra una fase di isolamento topologico e un normale isolante, che non ha stati conduttori.

"Puoi instradare questi conduttori perfetti ovunque tu voglia, " Egli ha detto, "E questo è qualcosa che nessuno è stato in grado di fare con altri materiali".