I campi della fisica della materia condensata e della scienza dei materiali sono intimamente collegati perché la nuova fisica viene spesso scoperta in materiali con disposizioni speciali di atomi. Cristalli, che hanno unità ripetute di atomi nello spazio, possono avere modelli speciali che si traducono in proprietà fisiche esotiche. Particolarmente interessanti sono i materiali che ospitano più tipi di proprietà esotiche perché danno agli scienziati l'opportunità di studiare come tali proprietà interagiscono e si influenzano a vicenda. Le combinazioni possono dar luogo a fenomeni inaspettati e alimentare anni di ricerca di base e tecnologica.

In un nuovo studio pubblicato su Progressi scientifici questa settimana, un team internazionale di scienziati dagli USA, Colombia, Repubblica Ceca, Inghilterra, e guidato dal Dr. Mazhar N. Ali presso il Max Planck Institute of Microstructure Physics in Germania, ha dimostrato che un nuovo materiale, KV ₃ Sb ₅ , ha una combinazione di proprietà mai vista prima che si traduce in uno dei più grandi effetti Hall anomali (AHE) mai osservati; 15, 500 Siemens per centimetro a 2 Kelvin.

Scoperto nel laboratorio del coautore Prof. Tyrel McQueen alla Johns Hopkins University, KV ₃ Sb ₅ combina quattro proprietà in un unico materiale:fisica Dirac, magnetismo metallico frustrato, Esfoliabilità 2-D (come il grafene), e stabilità chimica.

Dirac fisica, in tale contesto, riguarda il fatto che gli elettroni in KV ₃ Sb ₅ non sono solo i normali elettroni comuni; si muovono molto velocemente con una massa effettiva molto bassa. Ciò significa che si comportano in modo "leggero"; le loro velocità stanno diventando paragonabili alla velocità della luce e si comportano come se avessero solo una piccola frazione della massa che dovrebbero avere. Ciò si traduce nel materiale altamente metallico ed è stato mostrato per la prima volta nel grafene circa 15 anni fa.

Il "magnetismo frustrato" sorge quando i momenti magnetici in un materiale (immaginate piccole barre magnetiche che cercano di ruotare l'una nell'altra e di allinearsi da nord a sud quando le metti insieme) sono disposti in geometrie speciali, come reti triangolari. Questo scenario può rendere difficile l'allineamento dei magneti a barra in modo che si annullino a vicenda e siano stabili. I materiali che espongono questa proprietà sono rari, soprattutto quelli metallici. I materiali magnetici più frustrati sono gli isolanti elettrici, il che significa che i loro elettroni sono immobili. "I magneti metallici frustrati sono stati molto ricercati per diversi decenni. Si prevedeva che ospitassero superconduttività non convenzionale, fermioni di Majorana, essere utile per l'informatica quantistica, e altro ancora, " ha commentato il dottor Alì.

Strutturalmente, KV ₃ Sb ₅ ha un 2-D, struttura a strati in cui gli strati triangolari di vanadio e antimonio si impilano liberamente sopra gli strati di potassio. Ciò ha permesso agli autori di utilizzare semplicemente del nastro adesivo per staccare alcuni strati (a.k.a. fiocchi) alla volta. "Questo è stato molto importante perché ci ha permesso di utilizzare la litografia a fascio di elettroni (come la fotolitografia che viene utilizzata per realizzare chip per computer, ma usando elettroni anziché fotoni) per creare minuscoli dispositivi con i fiocchi e misurare proprietà che le persone non possono facilmente misurare alla rinfusa", ha osservato l'autore principale Shuo-Ying Yang, dell'Istituto Max Planck di Fisica delle Microstrutture. "Siamo stati entusiasti di scoprire che i fiocchi erano abbastanza stabili per il processo di fabbricazione, il che rende relativamente facile lavorare ed esplorare molte proprietà".

Armato di questa combinazione di proprietà, il team ha prima scelto di cercare un effetto Hall anomalo (AHE) nel materiale. Questo fenomeno è dove gli elettroni in un materiale con un campo elettrico applicato (ma nessun campo magnetico) possono essere deviati di 90 gradi da vari meccanismi. "Era stato teorizzato che i metalli con disposizioni di spin triangolari potessero ospitare un significativo effetto estrinseco, quindi era un buon punto di partenza, " ha osservato Yang. Usando la spettroscopia fotoelettronica risolta ad angolo, fabbricazione di microdispositivi, e un sistema di misurazione elettronica delle proprietà a bassa temperatura, Shuo-Ying e l'autore principale Yaojia Wang (Max Planck Institute of Microstructure Physics) sono stati in grado di osservare uno dei più grandi AHE mai visti.

L'AHE può essere suddiviso in due categorie generali:intrinseche ed estrinseche. "Il meccanismo intrinseco è come se un giocatore di football facesse un passaggio al proprio compagno di squadra piegando la palla, o elettrone, attorno ad alcuni difensori (senza scontrarsi con loro), "ha spiegato Ali. "Estrinseco è come la palla che rimbalza su un difensore, o centro di diffusione magnetica, e andando di lato dopo la collisione. Molti materiali estrinsecamente dominati hanno una disposizione casuale di difensori sul campo, o centri di diffusione magnetica diluiti casualmente in tutto il cristallo. KV ₃ Sb ₅ è speciale in quanto ha gruppi di 3 centri di diffusione magnetica disposti in una rete triangolare. In questo scenario, la palla si disperde dal gruppo di difensori, piuttosto che uno solo, ed è più probabile che vada di lato che se solo uno fosse d'intralcio."

Questo è essenzialmente il teorizzato meccanismo AHE di diffusione dello spin-cluster skew che è stato dimostrato dagli autori in questo materiale. "Tuttavia la condizione con cui la palla in arrivo colpisce il grappolo sembra avere importanza; tu o io calciamo la palla non è la stessa cosa se, dire, Cristiano Ronaldo ha calciato il pallone, " ha aggiunto Ali. "Quando Ronaldo lo prende a calci, si sta muovendo molto più velocemente e rimbalza sull'ammasso con molta più velocità, spostandosi di lato più velocemente che se una persona qualunque l'avesse presa a calci. Questo è, parlando in modo approssimativo, la differenza tra le quasiparticelle di Dirac (Ronaldo) in questo materiale rispetto agli elettroni normali (persona media) ed è correlata al motivo per cui vediamo un AHE così grande, "Ali spiegò ridendo.

Questi risultati possono anche aiutare gli scienziati a identificare altri materiali con questa combinazione di ingredienti. "È importante che la stessa fisica che governa questo AHE potrebbe anche guidare un effetto Hall di spin molto grande (SHE) - dove invece di generare una corrente di carica ortogonale, viene generata una corrente di spin ortogonale, " ha osservato Wang. "Questo è importante per le tecnologie informatiche di prossima generazione basate sullo spin di un elettrone piuttosto che sulla sua carica".

"Questo è un nuovo materiale da gioco per noi:fisica metallica Dirac, magnetismo frustrato, esfoliabile, e chimicamente stabile tutto in uno. Ci sono molte opportunità per esplorare il divertimento, fenomeni strani, come la superconduttività non convenzionale e altro ancora, " disse Alì, animatamente.