I cosiddetti isolanti topologici sono quei materiali che sono isolanti alla rinfusa, cioè., quelli che non consentono correnti elettriche nel loro volume, ma che sono conduttori sulle loro superfici. A differenza dei soliti direttori, questo è, metalli, la corrente elettrica circolante in un isolante topologico non subisce alcuna perdita di energia. Questa proprietà apre grandi possibilità di applicazione in elettronica, poiché consentirebbe la fabbricazione di sistemi più efficienti, dispositivi più veloci e a basso consumo energetico. Questo è un obiettivo tanto auspicabile quanto necessario nell'attuale scenario di rapido avanzamento della domanda energetica mondiale, che minaccia il nostro ambiente. Proprio per questo, la scoperta degli isolanti topologici circa un decennio fa ha causato un boom della ricerca globale nel campo delle nanotecnologie e della fisica della materia condensata.

Tenendo conto delle applicazioni tecnologiche, per esempio nelle tecnologie dell'informazione, una delle sfide di questi anni di intensa ricerca è stata la creazione di un isolante topologico magnetico. Finora, gli isolanti topologici magnetici erano stati creati solo per via cosiddetta estrinseca, che consiste nel drogare isolanti topologici non magnetici con atomi magnetici. Però, grazie agli sforzi di un gruppo di ricercatori del Centro di Fisica dei Materiali (CFM, CSIC-UPV/EHU centro comune), Donostia International Physics Center (DIPC) e l'Università dei Paesi Baschi (UPV/EHU), è ora possibile coltivare un isolante topologico magnetico intrinseco, questo è, uno che ha proprietà magnetiche per sua stessa natura.

Il team che include i ricercatori DIPC Mikhail Otrokov (CFM Ikerbasque Research Fellow), Evgueni Chulkov (UPV/EHU, Premio Ricerca Euskadi 2019), María Blanco Rey (UPV/EHU) e Pedro M. Echenique (UPV/EHU, Presidente DIPC), ha previsto teoricamente il primo isolante topologico magnetico intrinseco, con formula chimica MnBi ₂ Te ₄ . La chiave del successo di questa previsione è stata la grande quantità di esperienza che questo gruppo di scienziati ha nei campi degli isolanti topologici, magnetismo e scienza dei materiali in generale. Il collega Ikerbasque e leader di questa ricerca, Michail Otrokov, afferma che "il lavoro precedente da diversi approcci ci ha portato alla conclusione che il percorso intrinseco era l'unico percorribile al giorno d'oggi. Quindi, abbiamo diretto i nostri sforzi per trovare un isolante topologico magnetico intrinseco basato sulla nostra precedente esperienza. Grazie a ciò, sapevamo quale struttura cristallina e composizione atomica dovrebbe avere un tale materiale".

Donostia (Paesi Baschi, Spagna) non è solo il luogo in cui è stata effettuata la previsione teorica di questo primo isolante topologico magnetico, ma è stato anche il campo base da cui è stata coordinata la sua conferma sperimentale. Questo lavoro ha coinvolto esperti in diversi settori, dai principali centri di ricerca in Russia, Azerbaigian, Germania, Austria, Giappone, Italia e Stati Uniti. I risultati di questo studio vengono pubblicati questa settimana sulla prestigiosa rivista Natura . Otrokov ha spiegato che per conferma sperimentale, il primo passo è stata la sintesi dei cristalli composti da parte degli esperti di sintesi chimica. Una volta sintetizzato, i campioni sono stati soggetti a una moltitudine di esperimenti di caratterizzazione:strutturali, magnetico, elettronico, di trasporto, di composizione atomica, ecc, fino a quando le caratteristiche previste non sono state osservate e verificate.

I risultati dello studio, che era già stato diffuso attraverso un server ad accesso aperto e lezioni tenute dagli autori a conferenze internazionali, sono stati ben accolti dalla comunità scientifica internazionale. Attualmente, MnBi ₂ Te ₄ e altri materiali basati su di esso sono studiati in diversi centri di ricerca, quelli degli Stati Uniti e della Cina che mostrano l'attività più intensa.

"MnBi ₂ Te ₄ , oltre ad essere un isolante topologico magnetico intrinseco, è risultato essere antiferromagnetico, proprio come avevamo calcolato, "Ci dice Blanco. L'antiferromagnetismo consiste in un ordine magnetico su scala atomica, tale che il materiale manca di magnetizzazione netta. Di conseguenza, questi materiali sono molto più robusti contro le perturbazioni dei magneti.

Questo cristallo composto da Manganese (Mn), Il bismuto (Bi) e il tellurio (Te) hanno un grande potenziale sia a livello fondamentale che tecnologico. È estremamente ricco di proprietà esotiche, Per esempio, come i vari effetti Hall, compresi quelli quantistici, alcuni dei quali vengono utilizzati nella calibrazione delle costanti fisiche per la sua eccezionale precisione. Inoltre, MnBi ₂ Te ₄ può essere utilizzato per creare il cosiddetto fermione di Majorana. Questa è una specie di particella, una quasiparticella per essere precisi, che è stata considerata la pietra angolare dell'informatica quantistica.

Allo stesso modo, MnBi ₂ Te ₄ è il primo materiale intrinseco per il quale si prevede una risposta elettromagnetica molto simile a quella di un assione. Un assione è un'ipotetica particella postulata nell'ambito della cromodinamica quantistica, ed è un buon candidato per risolvere il problema della materia oscura. Ecco perché ci sono molti esperimenti volti proprio a rilevare segnali di comportamento di tipo axion nella famiglia di questo composto.

Per quanto riguarda le applicazioni pratiche, sono già stati brevettati diversi dispositivi basati su isolatori topologici magnetici. Ad esempio, MnBi ₂ Te ₄ potrebbe essere utilizzato in dispositivi di interconnessione chirale, che promettono prestazioni superiori alle normali connessioni in rame attualmente utilizzate nei circuiti integrati disponibili in commercio. Alcune altre applicazioni includono modulatori ottici, sensori di campo magnetico ed elementi di memoria.

I ricercatori che lavorano a Donostia, insieme alla loro rete di collaboratori internazionali, aspettati di poter osservare in MnBi ₂ Te ₄ alcuni dei fenomeni esotici sopra menzionati, e scopri nuovi isolanti topologici magnetici intrinseci con proprietà persino superiori a quelle del MnBi ₂ Te ₄ .