La ricerca è aperta per scoprire nuovi stati della materia, e possibilmente nuovi modi di codifica, manipolare, e trasporto di informazioni. Un obiettivo è sfruttare le proprietà quantistiche dei materiali per comunicazioni che vadano oltre ciò che è possibile con l'elettronica convenzionale. Gli isolanti topologici, materiali che agiscono principalmente come isolanti ma trasportano corrente elettrica attraverso la loro superficie, offrono alcune possibilità allettanti.

"Esplorare la complessità dei materiali topologici, insieme ad altri intriganti fenomeni emergenti come il magnetismo e la superconduttività, è una delle aree di interesse più interessanti e stimolanti per la comunità scientifica dei materiali presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, " ha detto Peter Johnson, un fisico senior nella divisione di fisica e scienza dei materiali condensati a Brookhaven. "Stiamo cercando di capire questi isolanti topologici perché hanno molte potenziali applicazioni, in particolare nella scienza dell'informazione quantistica, una nuova importante area per la divisione".

Per esempio, i materiali con questa doppia personalità isolante/conduttore mostrano una separazione nelle firme energetiche dei loro elettroni di superficie con "spin" opposto. Questa proprietà quantistica potrebbe essere potenzialmente sfruttata in dispositivi "spintronici" per la codifica e il trasporto di informazioni. Facendo un passo avanti, accoppiare questi elettroni con il magnetismo può portare a fenomeni nuovi ed eccitanti.

"Quando hai il magnetismo vicino alla superficie puoi avere questi altri stati esotici della materia che derivano dall'accoppiamento dell'isolante topologico con il magnetismo, " disse Dan Nevola, un borsista post-dottorato che lavora con Johnson. "Se riusciamo a trovare isolanti topologici con un proprio magnetismo intrinseco, dovremmo essere in grado di trasportare in modo efficiente gli elettroni di un particolare spin in una particolare direzione".

In un nuovo studio appena pubblicato ed evidenziato come suggerimento dell'editore in Lettere di revisione fisica , Nevola, Johnson, e i loro coautori descrivono il comportamento bizzarro di uno di questi isolanti topologici magnetici. Il documento include prove sperimentali che il magnetismo intrinseco nella maggior parte del tellururo di bismuto di manganese (MnBi2Te4) si estende anche agli elettroni sulla sua superficie elettricamente conduttiva. Studi precedenti erano stati inconcludenti sull'esistenza o meno del magnetismo superficiale.

Ma quando i fisici misurarono la sensibilità al magnetismo degli elettroni di superficie, solo uno dei due stati elettronici osservati si è comportato come previsto. Un altro stato superficiale, che avrebbe dovuto avere una risposta più ampia, agito come se il magnetismo non fosse lì.

"Il magnetismo è diverso in superficie? O c'è qualcosa di esotico che semplicemente non capiamo?" ha detto Nevola.

Johnson si appoggia alla spiegazione della fisica esotica:"Dan ha fatto questo esperimento molto accurato, che gli ha permesso di osservare l'attività nella regione superficiale e identificare due diversi stati elettronici su quella superficie, uno che potrebbe esistere su qualsiasi superficie metallica e uno che riflettesse le proprietà topologiche del materiale, " disse. "Il primo era sensibile al magnetismo, il che dimostra che il magnetismo esiste davvero nella superficie. Però, l'altro che ci aspettavamo fosse più sensibile non aveva affatto sensibilità. Così, ci deve essere qualche fisica esotica in corso!"

Le misure

Gli scienziati hanno studiato il materiale utilizzando vari tipi di spettroscopia di fotoemissione, dove la luce di un impulso laser ultravioletto fa cadere gli elettroni dalla superficie del materiale e li fa entrare in un rivelatore per la misurazione.

"Per uno dei nostri esperimenti, usiamo un ulteriore impulso laser a infrarossi per dare al campione un piccolo calcio per spostare alcuni degli elettroni prima di eseguire la misurazione, " Ha spiegato Nevola. "Prende alcuni degli elettroni e li calcia [in energia] per diventare elettroni conduttori. Quindi, in molto, tempi molto brevi, picosecondi, si esegue la misurazione per osservare come gli stati elettronici sono cambiati in risposta".

La mappa dei livelli energetici degli elettroni eccitati mostra due distinte bande di superficie che mostrano ciascuna rami separati, elettroni in ogni ramo aventi spin opposto. Entrambe le bande, ciascuno rappresentante uno dei due stati elettronici, ci si aspettava che rispondessero alla presenza del magnetismo.

Per verificare se questi elettroni di superficie fossero davvero sensibili al magnetismo, gli scienziati hanno raffreddato il campione a 25 Kelvin, lasciando emergere il suo magnetismo intrinseco. Tuttavia, solo nello stato elettronico non topologico hanno osservato un "buco" che si è aperto nella parte anticipata dello spettro.

"All'interno di tali lacune, gli elettroni sono vietati dall'esistenza, e quindi la loro scomparsa da quella parte dello spettro rappresenta la firma del divario, " ha detto Nevola.

L'osservazione di un gap che appare nello stato superficiale regolare è stata la prova definitiva della sensibilità magnetica e la prova che il magnetismo intrinseco nella maggior parte di questo particolare materiale si estende ai suoi elettroni di superficie.

Però, lo stato elettronico "topologico" studiato dagli scienziati non mostrava una tale sensibilità al magnetismo, nessun gap.

"Ciò mette un po' di punto interrogativo, " ha detto Johnson.

"Queste sono proprietà che vorremmo essere in grado di comprendere e progettare, proprio come progettiamo le proprietà dei semiconduttori per una varietà di tecnologie, "Ha continuato Johnson.

Nella spintronica, Per esempio, l'idea è di utilizzare diversi stati di spin per codificare le informazioni nel modo in cui le cariche elettriche positive e negative sono attualmente utilizzate nei dispositivi a semiconduttore per codificare i "bit" - 1 e 0 - del codice del computer. Ma i bit quantistici con codice di rotazione, o qubit, avere molti più stati possibili, non solo due. Ciò amplierà notevolmente il potenziale per codificare le informazioni in modi nuovi e potenti.

"Tutto ciò che riguarda gli isolanti topologici magnetici sembra adatto a questo tipo di applicazione tecnologica, ma questo particolare materiale non obbedisce del tutto alle regole, " ha detto Johnson.

Così ora, mentre il team continua la ricerca di nuovi stati della materia e ulteriori approfondimenti sul mondo quantistico, c'è una nuova urgenza per spiegare l'eccentrico comportamento quantistico di questo particolare materiale.