Un nuovo studio fornisce la prima prova di particelle esotiche, note come quadruple quasiparticelle topologiche, nella lega metallica monosiliciuro di cobalto. Pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , questa analisi completa, uno che combina dati sperimentali con modelli teorici, fornisce una comprensione dettagliata di questo materiale. Queste intuizioni potrebbero essere utilizzate per progettare questo e altri materiali simili con proprietà uniche e controllabili. La scoperta è stata il risultato di una collaborazione tra i ricercatori della Penn, Università di Friburgo, Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi, e Università del Maryland.

Le teorie alla base degli isolanti topologici, materiali con superficie conduttiva e nucleo isolante, furono pionieri di Charlie Kane e Eugene Mele di Penn, vincitori del Premio Breakthrough 2019 in Fisica Fondamentale. Attraverso i loro contributi teorici su topologia e simmetria, Kane e Mele hanno postulato l'esistenza di questa nuova classe di materiali, quelli che potrebbero essere utilizzati per creare elettronica ad alta efficienza o piattaforme di calcolo quantistico.

"Ma il desiderio di tutti i teorici è che il loro lavoro si traduca nel mondo reale, " dice il chimico Andrew M. Rappe, che collabora con Kane e Mele su come scoprire materiali del mondo reale che hanno queste proprietà esotiche. "La recente assunzione del professor Liang Wu porta il nostro gruppo di fisica topologica a un nuovo livello, uno in cui possiamo comprendere i materiali e osservarne le proprietà, tutto in una stretta, ciclo collaborativo."

Da quando è arrivato in Penn nel 2018, Wu e il suo laboratorio hanno utilizzato esperimenti di ottica per studiare come la luce interagisce con i materiali topologici e sono interessati a convalidare alcune delle teorie esistenti su questa classe di materiali. L'anno scorso, lo studente laureato Zhuoliang Ni stava conducendo esperimenti laser a impulsi di luce con monosiliciuro di cobalto (CoSi) per comprendere meglio la relazione tra topologia e ottica non lineare e per vedere se potevano usare questo materiale per convertire la luce in corrente elettrica. I dati raccolti sembravano suggerire che potrebbero esserci alcune caratteristiche topologiche uniche di CoSi. "Ho capito che c'è qualcosa di interessante nella conduttività ottica di per sé, "dice Wu, che poi ha contattato Mele e Rappe per sviluppare una teoria per aiutare a spiegare i risultati del loro esperimento.

Mentre CoSi era stato studiato in precedenza, i nuovi dati raccolti dal laboratorio di Wu erano di qualità superiore rispetto al lavoro precedente, consentendo ai ricercatori di sviluppare un modello che fornisse una spiegazione più solida dei loro risultati.

"Le previsioni della fisica topologica hanno suggerito che questo materiale dovrebbe avere alcune proprietà eccitanti, come la conduttività ottica lineare con l'aumento dell'energia del fotone, ma un materiale reale ha molti fenomeni che accadono allo stesso tempo, " dice Rappe. "I teorici rendono gradualmente il loro modello più complicato e realistico, e gli sperimentali tengono conto di altre funzionalità per semplificare la presentazione sperimentale. È così che arriviamo a un accordo su quali caratteristiche possono essere attribuite alle proprietà topologiche".

Dopo quasi un anno di analisi dei dati e di iterazioni su diverse teorie, una delle cose che spiccava era quanto bene questi modelli, dal semplice al complesso, concordati tra loro. "È sorprendente vedere questo livello di accordo per noi stessi, "dice lo studente laureato Zhenyao Fang, che ha condotto la parte teorica di questo studio. "Alcuni modelli sono puramente derivati ​​da teorie fisiche, e alcuni sono modelli numerici derivati ​​da metodi dei primi principi, quindi è sorprendente osservare questo tipo di accordo tra loro."

Ora, grazie a una combinazione di dati più puliti e modelli teorici robusti, questa coesione tra la teoria e gli esperimenti dimostrati in questo lavoro rappresenta un enorme passo avanti, dice Wu. "L'accordo tra esperimento e teoria è estremamente buono, " aggiunge. "Qui forniamo un esempio di una combinazione completa di esperimento e comprensione teorica, e questo può essere applicato a molti altri nuovi materiali o sistemi che verranno scoperti in futuro".

Perché CoSi è in una famiglia di materiali con una struttura cristallina molto comune, il materiale potrebbe essere utilizzato in leghe con magnetismo progettate per avere proprietà magnetiche topologiche più complesse a causa della capacità di controllare il loro design atomo per atomo.

Questo lavoro è anche una vetrina dell'esperienza di Penn in fisica topologica e apre la strada a futuri progressi sperimentali e teorici in questo campo all'Università, dice Rappe. "Ora abbiamo un gruppo vivace che unisce gli sforzi nell'elettronica topologica e nella fotonica, " dice. "La fisica topologica sta crescendo, e abbiamo tracciato una strada che altre persone possono seguire con altri materiali per la progettazione di proprietà optoelettroniche desiderabili".