Gli isolanti topologici sono materiali innovativi che conducono elettricità sulla superficie, ma fungono da isolanti all'interno. I fisici dell'Università di Basilea e dell'Università tecnica di Istanbul hanno iniziato a studiare come reagiscono all'attrito. Il loro esperimento mostra che il calore generato dall'attrito è significativamente inferiore rispetto ai materiali convenzionali. Ciò è dovuto a un nuovo meccanismo quantistico, i ricercatori riferiscono sulla rivista scientifica Materiali della natura .

Grazie alle loro proprietà elettriche uniche, gli isolanti topologici promettono molte innovazioni nell'industria elettronica e informatica, così come nello sviluppo di computer quantistici. Il sottile strato superficiale può condurre elettricità quasi senza resistenza, con conseguente minor calore rispetto ai materiali tradizionali. Questo li rende di particolare interesse per i componenti elettronici.

Per di più, negli isolanti topologici, l'attrito elettronico, cioè la conversione dell'energia elettrica in calore, mediata da elettroni, può essere ridotta e controllata. Ricercatori dell'Università di Basilea, lo Swiss Nanoscience Institute (SNI) e l'Università tecnica di Istanbul sono stati ora in grado di verificare sperimentalmente e dimostrare esattamente come si comporta la transizione dall'energia al calore attraverso l'attrito, un processo noto come dissipazione.

Misurazione dell'attrito con un pendolo

Il team guidato dal professor Ernst Meyer del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea ha studiato gli effetti dell'attrito sulla superficie di un isolante topologico di tellururo di bismuto. Gli scienziati hanno utilizzato un microscopio a forza atomica in modalità pendolo. Qui, la punta del microscopio conduttivo in oro oscilla avanti e indietro appena sopra la superficie bidimensionale dell'isolatore topologico. Quando viene applicata una tensione alla punta del microscopio, il movimento del pendolo induce una piccola corrente elettrica sulla superficie.

Nei materiali convenzionali, parte di questa energia elettrica viene convertita in calore per attrito. Il risultato sulla superficie conduttiva dell'isolante topologico appare molto diverso:la perdita di energia attraverso la conversione in calore è notevolmente ridotta.

"Le nostre misurazioni mostrano chiaramente che a determinate tensioni non c'è praticamente alcuna generazione di calore causata dall'attrito elettronico, " spiega il dottor Dilek Yildiz, che ha svolto questo lavoro all'interno del dottorato di ricerca SNI. Scuola.

Un nuovo meccanismo

I ricercatori hanno anche potuto osservare per la prima volta un nuovo meccanismo di dissipazione quantomeccanico che si verifica solo a determinate tensioni. In queste condizioni, gli elettroni migrano dalla punta attraverso uno stato intermedio nel materiale, simile all'effetto tunnel nei microscopi a scansione tunnel. Regolando la tensione, gli scienziati sono stati in grado di influenzare la dissipazione. "Queste misurazioni confermano il grande potenziale degli isolanti topologici, poiché l'attrito elettronico può essere controllato in modo mirato, " aggiunge Meyer.