Gli elettroni corrono lungo la superficie di certi materiali cristallini insoliti, tranne che a volte non lo fanno. Due nuovi studi dei ricercatori di Princeton e dei loro collaboratori spiegano la fonte del comportamento sorprendente e tracciano un percorso per ripristinare la conduttività in questi straordinari cristalli, apprezzati per il loro potenziale utilizzo nelle tecnologie future, compresi i computer quantistici.

Gli studi sono stati pubblicati sulla rivista Scienza .

Negli ultimi 15 anni, una classe di materiali noti come isolanti topologici ha dominato la ricerca dei materiali del futuro. Questi cristalli hanno una proprietà non comune:i loro interni sono isolanti, dove gli elettroni non possono fluire, ma le loro superfici sono conduttori perfetti, dove gli elettroni scorrono senza resistenza.

Questa era l'immagine fino alla scoperta, due anni fa, che alcuni materiali topologici non sono effettivamente in grado di condurre corrente sulla loro superficie, un fenomeno che si è guadagnato il nome di "topologia fragile".

"La fragile topologia è una strana bestia:ora si prevede che esista in centinaia di materiali, " ha detto B. Andrei Bernevig, un professore di fisica a Princeton e coautore di entrambi gli articoli. "È come se il solito principio su cui ci siamo basati per determinare sperimentalmente uno stato topologico si rompesse".

Per capire come si formano gli stati fragili, i ricercatori si sono rivolti a due risorse:equazioni matematiche e stampanti 3D. Con Luis Elcoro all'Università dei Paesi Baschi, Il ricercatore post-dottorato di Bernevig e Princeton Zhi-Da Song ha costruito una teoria matematica per spiegare cosa sta succedendo all'interno dei materiali.

Prossimo, Sebastian Huber e il suo team all'ETH di Zurigo, in collaborazione con ricercatori di Princeton, Weizmann Institute of Science in Israele, Università di tecnologia della Cina meridionale, e l'Università di Wuhan, ha testato la teoria costruendo un materiale topologico a grandezza naturale con plastica stampata in 3D.

I materiali topologici traggono il loro nome dal campo della matematica che spiega come sono correlate forme come ciambelle e tazzine da caffè (entrambe hanno un foro). Gli stessi principi possono spiegare come gli elettroni saltino da un atomo all'altro sulla superficie di circa 20, 000 circa materiali topologici identificati fino ad oggi. Le basi teoriche dei materiali topologici hanno guadagnato un Premio Nobel 2016 per la fisica per F. Duncan Haldane, Professore di fisica della Sherman Fairchild University di Princeton.

Ciò che rende questi cristalli così interessanti per gli scienziati sono le loro proprietà elettroniche paradossali. L'interno del cristallo non ha la capacità di condurre corrente:è un isolante. Ma taglia il cristallo a metà, e gli elettroni passeranno attraverso le superfici appena rivelate senza alcuna resistenza, protetti dalla loro natura topologica.

La spiegazione sta nella connessione tra gli elettroni sulla superficie e quelli all'interno, o alla rinfusa. Gli elettroni possono essere pensati non come singole particelle, ma come onde che si diffondono come increspature d'acqua da un sassolino lanciato in uno stagno. In questa visione della meccanica quantistica, la posizione di ciascun elettrone è descritta da un'onda di diffusione chiamata funzione d'onda quantistica. In un materiale topologico, la funzione d'onda quantistica di un elettrone nella massa si diffonde fino al bordo del cristallo, o confine di superficie. Questa corrispondenza tra il bulk e il confine porta ad uno stato superficiale perfettamente conduttivo.

Questo principio di "corrispondenza di confine di massa" per spiegare la conduzione della superficie topologica è stato ampiamente accettato fino a due anni fa, quando una manciata di articoli scientifici ha rivelato l'esistenza di una topologia fragile. A differenza dei soliti stati topologici, gli stati topologici fragili non hanno stati di superficie conduttivi.

"Il consueto principio di corrispondenza bulk-boundary si rompe, " ha detto Bernevig. Ma esattamente come è rimasto un puzzle.

Nella prima delle due Scienza documenti, Bernevig, Song ed Elcoro forniscono una spiegazione teorica per una nuova corrispondenza bulk-bounder per spiegare la fragile topologia. I collaboratori mostrano che la funzione d'onda elettronica della topologia fragile si estende alla superficie solo in condizioni specifiche, che i ricercatori chiamano una corrispondenza di confine di massa contorta.

Il team ha inoltre scoperto che la corrispondenza del confine di massa contorta può essere sintonizzata in modo che riappaiano gli stati della superficie conduttiva. "In base alle forme della funzione d'onda, abbiamo progettato un insieme di meccanismi per introdurre interferenza sul confine in modo tale che lo stato limite diventi necessariamente perfettamente conduttivo, " disse Luis Elcoro, professore all'Università dei Paesi Baschi.

Trovare nuovi principi generali è qualcosa che incuriosisce sempre i fisici, ma questo nuovo tipo di corrispondenza di confine di massa potrebbe anche avere un valore pratico, secondo i ricercatori. "La corrispondenza contorta bulk-boundary della topologia fragile fornisce una potenziale procedura per controllare lo stato della superficie, che potrebbe essere utile in meccanica, applicazioni elettroniche e ottiche, " ha detto la canzone.

Ma provare che la teoria funziona era virtualmente impossibile dato che si dovrebbe interferire con i confini a scale atomiche infinitesimamente piccole. Così il team si è rivolto ai collaboratori per costruire un modello a grandezza naturale con cui esplorare le proprie idee.

Nel secondo Scienza carta, Sebastian Huber e il suo team dell'ETH di Zurigo hanno costruito un finto cristallo topologico su larga scala in plastica utilizzando parti stampate in 3D. Hanno usato le onde sonore per rappresentare le funzioni d'onda degli elettroni. Hanno inserito barriere per bloccare il percorso delle onde sonore, che è analogo al taglio del cristallo per rivelare le superfici conduttrici. In questo modo, i ricercatori hanno imitato la condizione al contorno distorta, e poi ha mostrato che manipolandolo, potrebbero dimostrare che un'onda sonora che conduce liberamente viaggia attraverso la superficie.

"Questa è stata un'idea e una realizzazione molto di sinistra, " Huber ha detto. "Ora possiamo dimostrare che praticamente tutti gli stati topologici che sono stati realizzati nei nostri sistemi artificiali sono fragili, e non stabile come si pensava in passato. Questo lavoro fornisce una conferma, ma molto di più, introduce un nuovo principio generale."