La ricerca di materiali migliori per computer e altri dispositivi elettronici si è concentrata su un gruppo di materiali noti come "isolatori topologici" che hanno una proprietà speciale di condurre elettricità sul bordo delle loro superfici come le corsie di traffico su un'autostrada. Ciò può aumentare l'efficienza energetica e ridurre la produzione di calore.

Il primo isolante topologico dimostrato sperimentalmente nel 2009 è stato il bismuto-antimonio, ma solo di recente i ricercatori hanno identificato il bismuto puro come un nuovo tipo di isolante topologico. Un gruppo di ricercatori in Europa e negli Stati Uniti ha fornito sia prove sperimentali che analisi teoriche in un 2018 Fisica della natura rapporto.

Ora, ricercatori del MIT insieme ai colleghi di Boston, Singapore, e Taiwan hanno condotto un'analisi teorica per rivelare molte altre proprietà topologiche precedentemente non identificate del bismuto. Il team è stato guidato dagli autori senior del MIT Professore Associato Liang Fu, Professore del MIT Nuh Gedik, Illustre professore della Northeastern University Arun Bansil, e Research Fellow Hsin Lin presso l'Academica Sinica di Taiwan.

"È una specie di topologia nascosta in cui le persone non sapevano che poteva essere così, " dice il postdoc del MIT Su-Yang Xu, un coautore del documento pubblicato di recente in PNAS .

La topologia è uno strumento matematico che i fisici utilizzano per studiare le proprietà elettroniche analizzando le funzioni d'onda quantistiche degli elettroni. Le proprietà "topologiche" danno luogo ad un alto grado di stabilità nel materiale e rendono la sua struttura elettronica molto robusta contro piccole imperfezioni nel cristallo, come impurità, o lievi distorsioni della sua forma, come allungare o stringere.

"Diciamo che ho un cristallo che ha delle imperfezioni. Quelle imperfezioni, purché non siano così drammatici, allora la mia proprietà elettrica non cambierà, " Xu spiega. "Se esiste tale topologia e se le proprietà elettroniche sono legate in modo univoco alla topologia piuttosto che alla forma, allora sarà molto robusto."

"In questo particolare composto, a meno che non applichi in qualche modo pressione o qualcosa per distorcere la struttura cristallina, altrimenti questa conduzione sarà sempre protetta, " dice Xu.

Poiché gli elettroni che trasportano un certo spin possono muoversi solo in una direzione in questi materiali topologici, non possono rimbalzare all'indietro o disperdersi, che è il comportamento che fa surriscaldare i dispositivi elettronici a base di silicio e rame.

Mentre gli scienziati dei materiali cercano di identificare materiali con conduzione elettrica rapida e bassa emissione di calore per computer avanzati, i fisici vogliono classificare i tipi di proprietà topologiche e di altro tipo che sono alla base di questi materiali dalle prestazioni migliori.

Nel nuovo giornale, "Topologia su un nuovo aspetto del bismuto, " gli autori hanno calcolato che il bismuto dovrebbe mostrare uno stato noto come "stato superficiale di Dirac, " che è considerato un segno distintivo di questi isolanti topologici. Hanno scoperto che il cristallo è invariato da una rotazione semicircolare (180 gradi). Questa è chiamata una doppia simmetria rotazionale. Tale doppia simmetria rotazionale protegge gli stati superficiali di Dirac. Se questo la doppia simmetria di rotazione del cristallo è interrotta, questi stati di superficie perdono la loro protezione topologica.

Il bismuto presenta anche uno stato topologico lungo alcuni bordi del cristallo dove si incontrano due facce verticali e orizzontali, chiamato stato "cerniera". Per realizzare pienamente gli effetti topologici desiderati in questo materiale, lo stato cerniera e altri stati di superficie devono essere accoppiati a un altro fenomeno elettronico noto come "inversione di banda" che i calcoli dei teorici mostrano essere presente anche nel bismuto. Prevedono che questi stati di superficie topologici potrebbero essere confermati utilizzando una tecnica sperimentale nota come spettroscopia di fotoemissione.

Se gli elettroni che fluiscono attraverso il rame sono come un banco di pesci che nuotano in un lago d'estate, gli elettroni che scorrono su una superficie topologica sono più simili a pattinatori sul ghiaccio che attraversano la superficie ghiacciata del lago in inverno. Per il bismuto, però, nello stato cerniera, il loro movimento sarebbe più simile a pattinare sul bordo d'angolo di un cubetto di ghiaccio.

I ricercatori hanno anche scoperto che nello stato cerniera, mentre gli elettroni avanzano, il loro slancio e un'altra proprietà, chiamato spin, che definisce una rotazione in senso orario o antiorario degli elettroni, è "bloccato". "La loro direzione di rotazione è bloccata rispetto alla loro direzione di movimento, "Spiega Xu.

Questi stati topologici aggiuntivi potrebbero aiutare a spiegare perché il bismuto lascia che gli elettroni lo attraversino molto più lontano della maggior parte degli altri materiali, e perché conduce l'elettricità in modo efficiente con molti meno elettroni rispetto a materiali come il rame.

"Se vogliamo davvero rendere utili queste cose e migliorare significativamente le prestazioni dei nostri transistor, dobbiamo trovare buoni materiali topologici, buoni in termini di facilità di realizzazione, non sono tossici, e inoltre sono relativamente abbondanti sulla terra, " suggerisce Xu. Bismuto, che è un elemento sicuro per il consumo umano sotto forma di rimedi per curare il bruciore di stomaco, Per esempio, soddisfa tutti questi requisiti.

"Questo lavoro è il culmine di un decennio e mezzo di avanzamento nella nostra comprensione dei materiali topologici protetti dalla simmetria, "dice David Hsieh, professore di fisica al Caltech, che non è stato coinvolto in questa ricerca.

"Penso che questi risultati teorici siano robusti, ed è semplicemente una questione di immagini sperimentali usando tecniche come la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, di cui il professor Gedik è esperto, " aggiunge Hsieh.

Il professor Gregory Fiete della Northeastern University osserva che "i composti a base di bismuto hanno a lungo svolto un ruolo da protagonisti nei materiali topologici, sebbene il bismuto stesso fosse originariamente ritenuto topologicamente banale."

"Ora, questa squadra ha scoperto che il bismuto puro è multiplo topologico, con una coppia di coni di Dirac di superficie slegati da un particolare valore di momento, "dice Fiete, anche lui non è stato coinvolto in questa ricerca. "La possibilità di spostare i coni Dirac attraverso il controllo di parametri esterni può aprire la strada ad applicazioni che sfruttano questa caratteristica".

Hsieh di Caltech osserva che le nuove scoperte si aggiungono al numero di modi in cui gli stati metallici topologicamente protetti possono essere stabilizzati nei materiali. "Se il bismuto può essere trasformato da semimetallo in isolante, quindi l'isolamento di questi stati superficiali nel trasporto elettrico può essere realizzato, che può essere utile per applicazioni elettroniche a bassa potenza, " spiega Hsieh.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.