Nuovi esperimenti con isolanti topologici drogati magneticamente al BESSY II hanno rivelato possibili metodi di trasmissione del segnale senza perdite che comportano un sorprendente fenomeno di auto-organizzazione. Nel futuro, potrebbe essere possibile sviluppare materiali con tali caratteristiche a temperatura ambiente che possono essere utilizzati come unità di elaborazione nell'informatica quantistica, Per esempio. Lo studio è stato pubblicato su Natura .

Nuovi effetti nella fisica dello stato solido vengono spesso scoperti a temperature prossime allo zero assoluto (0 Kelvin o -273 °C). Ulteriori ricerche potranno quindi determinare se e come questi fenomeni possono essere indotti anche a temperatura ambiente. La superconduttività è stata inizialmente osservata nel mercurio al di sotto di 4 Kelvin più di 100 anni fa. Oggi, ci sono molti superconduttori ad alta temperatura che conducono corrente elettrica senza perdite resistive a temperature fino a 138 Kelvin o addirittura 200 Kelvin (il record detenuto da H2S).

L'effetto Hall anomalo quantizzato (QAHE) è stato osservato per la prima volta in un isolante topologico drogato magneticamente al di sotto di 50 millikelvin nel 2013. Simile alla superconduttività, questo effetto consente il trasporto di carica senza perdite all'interno dei canali del bordo sottile dei campioni. Nel frattempo, i ricercatori hanno aumentato la temperatura massima alla quale si può osservare l'effetto fino a circa 1 Kelvin.

Però, sulla base di considerazioni teoriche, il QAHE dovrebbe avvenire a temperature molto più elevate. Quindi è un mistero il motivo per cui questo non accade. Un parametro critico è noto come gap di energia magnetica del campione, non è mai stato misurato prima. Maggiore è questo divario, più stabile dovrebbe essere l'effetto verso l'influenza della temperatura.

Un team internazionale guidato dal fisico HZB Prof. Dr. Oliver Rader e dal Prof. Dr. Gunther Springholz dell'Università di Linz ha raggiunto una svolta. Tramite spettroscopia fotoelettronica con radiazione di sincrotrone di BESSY II, sono stati in grado di misurare per la prima volta il gap energetico in un tale campione. Per realizzare questo, l'ARPES1cube è stato utilizzato per raggiungere temperature estremamente basse; i ricercatori hanno utilizzato la nuova capacità di risoluzione dello spin del laboratorio russo-tedesco di BESSY II. Sorprendentemente, il divario era in realtà cinque volte maggiore di quanto previsto in teoria.

Gli scienziati hanno anche trovato una semplice ragione per questo risultato:"Ora sappiamo che il doping al manganese non avviene in modo disordinato. Al contrario, provoca una stratificazione nota come sovrastruttura nel materiale, strati molto simili a una pasta sfoglia, " spiega Springholz. " Aggiungendo una piccola percentuale di manganese, vengono create unità alternate di sette e cinque livelli. Ciò fa sì che il manganese sia contenuto preferenzialmente all'interno delle unità a sette strati e quindi possa generare il gap energetico in modo molto più efficace".

Rader dice in retrospettiva che l'immaginazione dei ricercatori nell'uso dei droganti non si è estesa abbastanza fino ad oggi. Hanno usato elementi trivalenti come cromo e vanadio che hanno caratteristiche magnetiche per sostituire il bismuto nel tellururo di bismuto (Bi ₂ Te ₃ ), con gli atomi droganti in uno stato disordinato. La ragione di ciò sembrava molto convincente:gli elementi magnetici trivalenti contribuiscono con tre elettroni ai legami chimici e la loro valenza chimica porta questi elementi ai siti del bismuto.

Con manganese, la situazione è diversa. Poiché il manganese è bivalente, non si adatta molto bene ai siti di bismuto. Questo è apparentemente il motivo per cui il sistema si ristruttura radicalmente e crea un nuovo doppio strato di atomi in cui il manganese può essere incorporato in modo bivalente. "In questo modo, viene creata una struttura in modo auto-organizzato in cui il manganese può produrre il grande gap di energia magnetica, " spiega Rader.

Se questi fenomeni di autorganizzazione vengono sfruttati in modi specifici, allora possono emergere configurazioni completamente nuove per i materiali topologici magnetici, secondo Springholz. In linea di principio, il divario che è stato ora misurato è già così ampio che dovrebbe consentire la costruzione di un QAHE vicino alla temperatura ambiente da componenti appropriati. Però, altri parametri devono ancora essere migliorati. Un isolante topologico magnetico come questo in combinazione con un normale superconduttore potrebbe anche consentire la realizzazione di un'unità di elaborazione quantistica (Qbit) per un computer quantistico.