I materiali topologici sono diventati un argomento scottante nella ricerca sui materiali quantistici, poiché hanno potenziali applicazioni per l'informazione quantistica e la spintronica. Questo perché i materiali topologici hanno strani stati elettronici in cui la quantità di moto di un elettrone è collegata al suo orientamento di spin, qualcosa che può essere sfruttato in nuovi modi per codificare e trasmettere informazioni. Un tipo di materiale topologico, chiamato semimetallo Weyl magnetico, sta suscitando interesse per la sua potenziale capacità di essere manipolato con campi magnetici.

Poiché questi materiali sono così nuovi, però, è stato difficile per gli scienziati identificare e caratterizzare i semimetalli Weyl. Un recente studio di teoria e modellizzazione condotto da scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory potrebbe non solo offrire ai ricercatori un modo più semplice per trovare semimetalli Weyl, ma anche un modo per manipolarli più facilmente per potenziali dispositivi spintronici.

I precedenti tentativi di investigare i semimetalli Weyl si basavano su una tecnica complicata che richiedeva una sorgente di raggi X o laser e campioni preparati con cura. Per semplificare l'osservazione dei semimetalli, I ricercatori di Argonne hanno invece proposto di utilizzare la relazione tra due proprietà essenziali - spin e carica elettronici - per rivelare la natura dei materiali topologici e offrire agli scienziati nuovi modi per usarli.

"Vogliamo sapere se c'è qualche traccia nel semimetallo che possiamo vedere se proviamo a far passare una corrente attraverso di esso, qualcosa che è caratteristico del fatto che sia un semimetallo Weyl, ", ha detto lo scienziato dei materiali Argonne Olle Heinonen.

Per generare una corrente di carica nel semimetallo Weyl, Heinonen propose prima di iniettare una corrente di spin all'interfaccia tra un metallo normale e il semimetallo Weyl. Mentre la corrente di spin implicava un afflusso di elettroni con spin puntati in una particolare direzione, non c'erano cariche nette iniettate perché gli elettroni di spin opposto venivano tirati dall'altra parte.

"Puoi immaginarlo come avere due nuotatori che vanno in direzioni opposte in una piscina, uno che fa lo stile libero e uno che fa il dorso, " ha detto. "Non c'è una direzione netta del nuoto, ma c'è una quantità netta di freestyle."

Spostando gli spin preferenzialmente dal metallo normale al semimetallo Weyl, i ricercatori hanno scoperto che il semimetallo aveva bisogno di trovare modi per accogliere gli elettroni con particolari spin nella sua struttura elettronica. "Non puoi semplicemente attaccare qualsiasi elettrone dove vuoi, " ha detto Heinonen.

Anziché, i ricercatori hanno scoperto che gli elettroni tendono a ridistribuire i loro spin in quei luoghi che sono disponibili ed energeticamente favorevoli. "Potresti non essere in grado di adattare tutta la tua rotazione a un particolare stato elettronico, ma puoi inserire quantità frazionarie di spin in diversi stati che si sommano alla stessa quantità, " Heinonen ha detto. "Immagina di avere un'onda che colpisce una roccia; hai ancora la stessa quantità di acqua in movimento, solo in direzioni diverse."

Quando l'elettrone "si rompe" in questo modo quando incontra il semimetallo Weyl, i diversi stati elettronici risultanti viaggiano con velocità diverse, generando una corrente di carica. A seconda della direzione in cui viene misurata questa corrente, diciamo, dall'alto verso il basso o da sinistra a destra:gli scienziati hanno visto risultati diversi.

"Il modo in cui l'elettrone si rompe è correlato in modo molto sensibile alle relazioni tra energia, momento e spin nel semimetallo magnetico Weyl, " Ha detto Heinonen. "Di conseguenza, come la direzione della corrente di carica cambia è direttamente correlata alle proprietà del semimetallo Weyl, consentendo di determinarne le caratteristiche topologiche."

Vedendo l'anisotropia, o la differenza di corrente di carica quando misurata in direzioni diverse nel semimetallo Weyl, fornisce ai ricercatori due informazioni. Primo, rivela la natura Weyl del materiale, ma forse ancora più importante permette ai ricercatori di mettere a punto le proprietà del materiale. "La risposta che vediamo è straordinariamente interessante perché è un Wey lsemimetal, e poiché ha questa interessante risposta anisotropa, possiamo probabilmente sfruttarlo in alcuni dispositivi, " Ha detto Heinonen. "Siamo un po' più avanti della curva per quanto riguarda le persone che producono effettivamente molti semimetalli Weyl, ma questo ci offre un modo economico per testare e sperimentare un tipo di materiale che probabilmente diventerà più popolare".

Un documento basato sullo studio, "Conversione da spin a carica in semimetalli magnetici Weyl, " apparso nel numero del 1 novembre di Lettere di revisione fisica . Ivar Martin di Argonne, Shulei Zhang, ora Professore Associato di Fisica presso la Case Western Reserve University, e Anton Burkov dell'Università di Waterloo, anche collaborato allo studio.