Un team internazionale di ricercatori guidati da scienziati dell'Università di Princeton ha scoperto che un materiale magnetico a temperatura ambiente consente agli elettroni di comportarsi in modo controintuitivo, agendo collettivamente piuttosto che come individui. Il loro comportamento collettivo imita particelle e antiparticelle prive di massa che coesistono in modo inaspettato e insieme formano una struttura esotica a forma di anello.

La chiave di questo comportamento è la topologia, una branca della matematica che è già nota per svolgere un ruolo potente nel dettare il comportamento degli elettroni nei cristalli. I materiali topologici possono contenere particelle prive di massa sotto forma di luce, o fotoni. In un cristallo topologico, gli elettroni spesso si comportano ancora come luce rallentata, a differenza della luce, portare carica elettrica.

La topologia è stata raramente osservata nei materiali magnetici, e la scoperta di un materiale topologico magnetico a temperatura ambiente è un passo avanti che potrebbe sbloccare nuovi approcci per sfruttare i materiali topologici per future applicazioni tecnologiche.

"Prima di questo lavoro, le prove per le proprietà topologiche dei magneti in tre dimensioni erano inconcludenti. Questi nuovi risultati ci danno un'evidenza diretta e decisiva di questo fenomeno a livello microscopico, " ha detto il signor Zahid Hasan, l'Eugene Higgins Professore di Fisica a Princeton, che ha condotto la ricerca. "Questo lavoro apre un nuovo continente per l'esplorazione nei magneti topologici".

Hasan e il suo team hanno trascorso più di un decennio a studiare i materiali candidati alla ricerca di uno stato quantistico magnetico topologico.

"La fisica dei magneti sfusi è stata compresa per molti decenni. Una domanda naturale per noi è:le proprietà magnetiche e topologiche insieme possono produrre qualcosa di nuovo in tre dimensioni?" disse Hasan.

Esistono migliaia di materiali magnetici, ma la maggior parte non aveva le proprietà corrette, i ricercatori hanno scoperto. I magneti erano troppo difficili da sintetizzare, il magnetismo non era sufficientemente compreso, la struttura magnetica era troppo complicata da modellare teoricamente, o non è stato possibile osservare alcuna firma sperimentale decisiva della topologia.

Poi è arrivata una svolta fortunata.

"Dopo aver studiato molti materiali magnetici, abbiamo eseguito una misurazione su una classe di magneti a temperatura ambiente e abbiamo visto inaspettatamente firme di elettroni senza massa, " ha detto Ilya Belopolski, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Hasan e co-primo autore dello studio. "Questo ci ha messo sulla strada della scoperta della prima fase magnetica topologica tridimensionale".

Il cristallo magnetico esotico è costituito da cobalto, manganese e gallio, disposti in modo ordinato, ripetendo il modello tridimensionale. Per esplorare lo stato topologico del materiale, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta. In questo esperimento, la luce ad alta intensità risplende sul campione, costringendo gli elettroni ad emettere dalla superficie. Questi elettroni emessi possono quindi essere misurati, fornendo informazioni sul comportamento degli elettroni quando si trovavano all'interno del cristallo.

"È una tecnica sperimentale estremamente potente, che in questo caso ci ha permesso di osservare direttamente che gli elettroni di questo magnete si comportano come se fossero privi di massa. Questi elettroni privi di massa sono noti come fermioni di Weyl, " ha detto Daniel Sanchez, un ricercatore in visita a Princeton e Ph.D. studente presso l'Università di Copenaghen, e un altro co-primo autore dello studio.

Un'intuizione chiave è arrivata quando i ricercatori hanno studiato più da vicino i fermioni di Weyl e si sono resi conto che il magnete ospitava una serie infinita di elettroni distinti senza massa che assume la forma di un anello, con alcuni elettroni che imitano le proprietà delle particelle e alcuni delle antiparticelle. Questo comportamento quantistico collettivo degli elettroni è stato definito un anello magnetico topologico di fermioni di Weyl.

"È veramente un sistema esotico e nuovo, " disse Guoqing Chang, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Hasan e co-primo autore dello studio. "Il comportamento collettivo degli elettroni in queste particelle è diverso da qualsiasi cosa a noi familiare nella nostra esperienza quotidiana, o anche nell'esperienza dei fisici delle particelle che studiano le particelle subatomiche. Qui abbiamo a che fare con particelle emergenti che obbediscono a diverse leggi della natura".

Si scopre che un fattore chiave di queste proprietà è una quantità matematica che descrive la serie infinita di elettroni senza massa. I ricercatori sono stati in grado di definire il ruolo della topologia osservando sottili cambiamenti nella differenza del comportamento degli elettroni che vivono sulla superficie del campione e più in profondità al suo interno. La tecnica per dimostrare le quantità topologiche attraverso i contrasti delle proprietà di superficie e di massa è stata sperimentata dal gruppo di Hasan e utilizzata per rilevare i fermioni di Weyl, una scoperta pubblicata nel 2015. Il team ha recentemente utilizzato un approccio analogo per scoprire un cristallo chirale topologico, lavoro pubblicato sulla rivista Natura all'inizio di quest'anno che era anche guidato dal gruppo di Hasan a Princeton e comprendeva Daniel Sanchez, Guoqing Chang e Ilya Belopolski come autori principali.

Previsioni teoriche

La relazione tra la topologia e le particelle magnetiche del loop quantistico è stata esplorata nelle previsioni teoriche del gruppo Hasan pubblicate nell'ottobre 2017 in Lettere di revisione fisica . Però, l'interesse teorico del gruppo per i magneti topologici risale a molto prima delle previsioni teoriche pubblicate in Materiali della natura nel 2010. Questi lavori teorici del gruppo di Hasan sono stati finanziati dall'ufficio di scienze energetiche di base del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti.

"Questo lavoro rappresenta il culmine di circa un decennio di tentativi di realizzare una fase quantistica magnetica topologica in tre dimensioni, "ha detto Hasan.

Nel 2016, Duncan Haldane, Professore di fisica della Sherman Fairchild University di Princeton, vinse il Premio Nobel per la Fisica per le sue teorie che prevedevano le proprietà dei materiali topologici mono e bidimensionali.

Un aspetto importante del risultato è che il materiale mantiene il suo magnetismo fino a 400 gradi Celsius, ben al di sopra della temperatura ambiente, soddisfacendo un requisito fondamentale per le applicazioni tecnologiche del mondo reale.

"Prima del nostro lavoro, proprietà magnetiche topologiche sono state tipicamente osservate quando i film sottili di materiali erano estremamente freddi, una frazione di grado sopra lo zero assoluto, richiedendo attrezzature specializzate semplicemente per raggiungere le temperature necessarie. Anche una piccola quantità di calore destabilizzerebbe termicamente lo stato magnetico topologico, Hasan ha detto. "Il magnete quantistico studiato qui mostra proprietà topologiche a temperatura ambiente".

Un magnete topologico in tre dimensioni rivela le sue firme più esotiche solo sulla sua superficie:le funzioni d'onda degli elettroni prendono la forma di pelli di tamburo. Questo è senza precedenti nei magneti precedentemente conosciuti e costituisce la firma rivelatrice di un magnete topologico. I ricercatori hanno osservato tali stati elettronici a forma di tamburo nei loro dati, fornendo la prova decisiva cruciale che si tratta di un nuovo stato della materia.

Patrizio Lee, il professore di fisica William &Emma Rogers al Massachusetts Institute of Technology, chi non è stato coinvolto nello studio, ha commentato l'importanza del ritrovamento. "Il gruppo di Princeton è da tempo in prima linea nella scoperta di nuovi materiali con proprietà topologiche, "Ha detto Lee. "Estendendo questo lavoro a una temperatura ambiente ferromagnetica e dimostrando l'esistenza di un nuovo tipo di stati superficiali della pelle del tamburo, questo lavoro apre un nuovo dominio per ulteriori scoperte."

Per comprendere le loro scoperte, i ricercatori hanno studiato la disposizione degli atomi sulla superficie del materiale utilizzando diverse tecniche, come il controllo del giusto tipo di simmetria utilizzando il microscopio a effetto tunnel nel Laboratorio di Hasan per la materia quantistica topologica e la spettroscopia avanzata situato nel seminterrato della Jadwin Hall di Princeton.

Un importante contributo alla scoperta è stata l'attrezzatura di spettroscopia all'avanguardia utilizzata per eseguire l'esperimento. I ricercatori hanno utilizzato una linea di luce dedicata alla spettroscopia di fotoemissione recentemente costruita presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, parte dello SLAC National Accelerator Laboratory a Menlo Park, California.

"La luce utilizzata nell'esperimento di fotoemissione SLAC è estremamente brillante e focalizzata su un punto minuscolo di poche decine di micrometri di diametro, " ha detto Belopolski. "Questo è stato importante per lo studio."

Il lavoro è stato svolto in stretta collaborazione con il gruppo del Professor Hsin Lin presso l'Istituto di Fisica, Accademia Sinica di Taiwan, e la professoressa Claudia Felser presso l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi di Dresda, Germania, incluso il ricercatore postdottorato Kaustuv Manna come co-primo autore.

Spinto dalla possibilità allettante di applicazioni, i ricercatori sono andati oltre e hanno applicato campi elettromagnetici al magnete topologico per vedere come avrebbe risposto. Hanno osservato una risposta elettromagnetica esotica fino a temperatura ambiente, che potrebbe essere ricondotto direttamente agli elettroni del loop quantistico.

"Abbiamo molti materiali topologici, ma tra questi è stato difficile mostrare una chiara risposta elettromagnetica derivante dalla topologia, " Hasan ha aggiunto. "Qui siamo stati in grado di farlo. Crea un campo di ricerca completamente nuovo per i magneti topologici."

Lo studio, "Scoperta di linee topologiche di fermioni di Weyl e stati superficiali della testa di tamburo in un magnete a temperatura ambiente, " di Ilya Belopolski, Kaustuv Manna, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, Benedikt Ernst, Jiaxin Yin, Songtian S. Zhang, Tyler Cochran, Nana Shumiya, Hao Zheng, Bahadur Singh, GuangBian, Daniele Multer, Maksim Litskevich, Xiaoting Zhou, Shin-Ming Huang, Baokai Wang, Tay-Rong Chang, Su Yang Xu, Arun Bansil, Claudia Felser, Hsin Lin e Zahid Hasan appaiono nel numero del 19 settembre di Scienza .