Alcuni materiali, come il rame, condurre l'elettricità molto bene. Altri materiali, come il vetro, non. Un certo tipo di materiale, detto isolante topologico, agisce in parte come l'uno e in parte come l'altro ― si comporta come un conduttore alla sua superficie e un isolante al suo interno.

A causa delle proprietà elettroniche uniche degli isolanti topologici e del loro potenziale utilizzo in dispositivi spintronici e persino come transistor per computer quantistici, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sono interessati a studiare la relazione speciale tra due proprietà degli elettroni di superficie conduttori in questi materiali.

Negli isolanti topologici, lo spin e la quantità di moto di ogni elettrone di superficie sono così strettamente legati che, in gergo scientifico, sono bloccati l'uno con l'altro. "Il blocco dello spin-momentum è come avere un pallone da basket che deve ruotare in una direzione specifica a seconda della sua traiettoria lungo il campo, " ha detto lo scienziato dei materiali Argonne Olle Heinonen. "Poiché un elettrone trasporta anche un momento magnetico, puoi usare il blocco spin-momentum per manipolare i sistemi magnetici in modo molto efficiente."

La struttura elettronica degli isolatori topologici, comprese le specifiche del blocco spin-momento, può riflettersi nel comportamento di trasporto degli elettroni nei materiali. Per esplorare il nuovo comportamento degli elettroni nei materiali topologici, Gli scienziati di Argonne hanno lavorato con scienziati della National University of Singapore, che ha eseguito un esperimento di trasporto che ha fornito una nuova prospettiva della struttura elettronica topologicamente protetta.

Heinonen e l'ex ricercatore post-dottorato di Argonne Shulei Zhang hanno descritto come nell'esperimento di trasporto un campo magnetico applicato nel piano di un film sottile di un isolante topologico può creare una tensione nella direzione perpendicolare alla corrente elettrica applicata, un fenomeno chiamato Hall planare non lineare effetto. Variando la direzione e l'intensità del campo magnetico, i ricercatori dell'Argonne ei loro colleghi hanno potuto accertare dalle informazioni di resistenza risultanti come gli elettroni sono distribuiti in termini di momento e spin.

"Se sai come i campi magnetici applicati in direzioni diverse influenzerebbero la corrente di Hall non lineare misurata, puoi usare il nostro modello teorico per mappare come sono distribuiti i momenti e gli spin degli elettroni, " disse Zhang. "Allora, a causa del modo in cui possiamo vedere più precisamente come i campi elettromagnetici interagiscono con gli elettroni di conduzione superficiale, possiamo ottenere informazioni molto più dettagliate sulla struttura elettronica di superficie degli isolanti topologici."

Il legame tra l'effetto Hall planare non lineare e gli stati di superficie topologici con bloccaggio spin-momento è, secondo Heinonen, una "relazione macroscopica-microscopica".

"Ci dà davvero uno sguardo sotto il cofano, " Egli ha detto.

Un documento basato sullo studio, "Effetto di sala planare non lineare, " apparso nell'edizione online del 1 luglio di Lettere di revisione fisica .