Nei materiali topologici, gli elettroni possono mostrare un comportamento fondamentalmente diverso da quello della materia "convenzionale", e la grandezza di molti di questi fenomeni "esotici" è direttamente proporzionale a un'entità nota come numero di Chern. Nuovi esperimenti stabiliscono per la prima volta che il numero massimo di Chern previsto in teoria può essere raggiunto e controllato in un materiale reale.

Quando la Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il Premio Nobel per la Fisica 2016 a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz, hanno lodato il trio per aver "aperto la porta su un mondo sconosciuto dove la materia può assumere strani stati". Lungi dall'essere una stranezza, le scoperte delle transizioni di fase topologiche e delle fasi topologiche della materia, cui i tre teorici hanno contribuito in modo così determinante, è diventato oggi uno dei campi di ricerca più attivi nella fisica della materia condensata. I materiali topologici mantengono la promessa, ad esempio, per portare a nuovi tipi di componenti elettronici e superconduttori, e nascondono profonde connessioni tra le aree della fisica e della matematica.

Mentre nuovi fenomeni vengono scoperti regolarmente, ci sono aspetti fondamentali ancora da definire. Uno di questi è quanto possono essere "forti" i fenomeni topologici in un materiale reale. Rispondendo a questa domanda, un team internazionale di ricercatori guidati dal ricercatore post-dottorato del PSI Niels Schröter fornisce ora un importante punto di riferimento. Scrivendo in Scienza , riportano esperimenti in cui hanno osservato che nel semimetallo topologico palladio gallio (PdGa) uno dei più comuni classificatori di fenomeni topologici, il numero di Chern, può raggiungere il valore massimo consentito in qualsiasi cristallo metallico. Che questo sia possibile in un materiale reale non è mai stato dimostrato prima. Inoltre, il team ha stabilito modi per controllare il segno del numero di Chern, che potrebbe portare nuove opportunità di esplorazione, e sfruttando, fenomeni topologici.

Sviluppato al massimo

Nei lavori teorici era stato previsto che nei semimetalli topologici il numero di Chern non può superare una magnitudine di quattro. Come sistemi candidati che mostrano fenomeni con tali numeri di Chern massimi, sono stati proposti cristalli chirali. Si tratta di materiali le cui strutture reticolari hanno una manualità ben definita, nel senso che non possono trasformarsi nella loro immagine speculare da alcuna combinazione di rotazioni e traslazioni. Sono state studiate diverse strutture candidate. Un'osservazione sperimentale conclusiva di un numero di Chern di più o meno quattro, però, rimasto sfuggente. Gli sforzi precedenti sono stati ostacolati in particolare da due fattori. Primo, un prerequisito per realizzare un numero di Chern massimo è la presenza di accoppiamento spin-orbita, e almeno in alcuni dei materiali studiati finora, che l'accoppiamento è relativamente basso, rendendo difficile la risoluzione delle scissioni di interesse. Secondo, preparare superfici pulite e piatte di cristalli rilevanti è stato molto impegnativo, e di conseguenza le firme spettroscopiche tendevano ad essere sbiadite.

Schroter et al. hanno superato entrambe queste limitazioni lavorando con i cristalli di PdGa. Il materiale mostra un forte accoppiamento spin-orbita, ed esistono metodi consolidati per produrre superfici immacolate. Inoltre, alla linea di luce ADRESS (Advanced Resonant Spectroscopies) della Swiss Light Source al PSI, avevano capacità uniche a loro disposizione per esperimenti ARPES ad alta risoluzione e quindi per risolvere i modelli spettroscopici rivelatori previsti. In combinazione con ulteriori misurazioni presso la Diamond Light Source (Regno Unito) e con calcoli ab initio dedicati, questi dati hanno rivelato firme dure e veloci nella struttura elettronica di PdGa che non hanno lasciato dubbi sul fatto che il numero di Chern massimo sia stato realizzato.

Una mano sul numero di Chern

La squadra ha fatto un passo avanti, oltre l'osservazione di un numero di Chern massimo. Hanno dimostrato che la natura chirale dei cristalli di PdGa offre la possibilità di controllare anche il segno di quel numero. Per dimostrare tale controllo, sono cresciuti campioni che erano mancini o destrimani (vedi la figura). Quando hanno poi guardato le strutture elettroniche dei due enantiomeri, hanno scoperto che la chiralità dei cristalli si riflette nella chiralità della funzione d'onda elettronica. Presi insieme, questo significa che nei semimetalli chirali la manualità, che può essere determinato durante la crescita dei cristalli, può essere utilizzato per controllare i fenomeni topologici che emergono dal comportamento degli elettroni nel materiale. Questo tipo di controllo apre una serie di nuovi esperimenti. Per esempio, ci si può aspettare che sorgano nuovi effetti all'interfaccia tra diversi enantiomeri, uno con il numero di Chern +4 e l'altro con -4. E ci sono prospettive reali per le applicazioni, pure. I semimetalli topologici chirali possono ospitare fenomeni affascinanti come le fotocorrenti quantizzate. intrigante, Il PdGa è noto per le sue proprietà catalitiche, invitando alla domanda sul ruolo dei fenomeni topologici in tali processi.

Finalmente, i risultati ora ottenuti per PdGa emergono dalle proprietà della banda elettronica che sono condivise da molti altri composti chirali, il che significa che l'angolo del "mondo sconosciuto in cui la materia può assumere strani stati" in cui Schröter e colleghi si sono ora avventurati probabilmente avrà molto altro da offrire.