Gli elettroni abitano un mondo strano e sottosopra. Queste particelle infinitesimamente piccole non hanno mai smesso di stupire e mistificare nonostante più di un secolo che gli scienziati le abbiano studiate. Ora, in una svolta ancora più sorprendente, i fisici hanno scoperto che, a determinate condizioni, gli elettroni interagenti possono creare quelli che vengono chiamati "stati quantistici topologici". Questa constatazione, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Natura , ha implicazioni per molti campi tecnologici di studio, soprattutto informatica.

Gli stati topologici della materia sono classi particolarmente intriganti di fenomeni quantistici. Il loro studio combina la fisica quantistica con la topologia, che è la branca della matematica teorica che studia le proprietà geometriche che possono essere deformate ma non intrinsecamente modificate. Gli stati quantistici topologici sono arrivati ​​per la prima volta all'attenzione del pubblico nel 2016 quando tre scienziati, Duncan Haldane di Princeton, che è Thomas D. Jones Professor di Fisica Matematica di Princeton e Professore di Fisica della Sherman Fairchild University, insieme a David Thouless e Michael Kosterlitz, hanno ricevuto il Premio Nobel per il loro lavoro nello scoprire il ruolo della topologia nei materiali elettronici.

"L'ultimo decennio ha visto molta eccitazione per i nuovi stati quantistici topologici degli elettroni, "ha detto Ali Yazdani, la classe del 1909 professore di fisica a Princeton e l'autore senior dello studio. "La maggior parte di ciò che abbiamo scoperto nell'ultimo decennio si è concentrato su come gli elettroni ottengono queste proprietà topologiche, senza pensare che interagiscono tra loro."

Ma utilizzando un materiale noto come grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico, Yazdani e il suo team sono stati in grado di esplorare come gli elettroni interagenti possono dare origine a fasi sorprendenti della materia.

Le straordinarie proprietà del grafene sono state scoperte due anni fa quando Pablo Jarillo-Herrero e il suo team al Massachusetts Institute of Technology (MIT) lo hanno utilizzato per indurre la superconduttività, uno stato in cui gli elettroni scorrono liberamente senza alcuna resistenza. La scoperta è stata immediatamente riconosciuta come una nuova piattaforma materiale per esplorare fenomeni quantistici insoliti.

Yazdani e i suoi colleghi ricercatori sono stati incuriositi da questa scoperta e hanno deciso di esplorare ulteriormente le complessità della superconduttività.

Ma ciò che hanno scoperto li ha portati su una strada diversa e non battuta.

"Questa è stata una deviazione meravigliosa che è venuta fuori dal nulla, "ha detto Kevin Nuckolls, l'autore principale dell'articolo e uno studente laureato in fisica. "È stato del tutto inaspettato, e qualcosa che abbiamo notato che sarebbe stato importante."

Seguendo l'esempio di Jarillo-Herrero e della sua squadra, Yazdani, Nuckolls e gli altri ricercatori hanno concentrato la loro indagine sul grafene a doppio strato attorcigliato.

"È davvero un materiale miracoloso, " Ha detto Nuckolls. "È un reticolo bidimensionale di atomi di carbonio che è un ottimo conduttore elettrico ed è uno dei cristalli più forti conosciuti".

Il grafene è prodotto in un modo apparentemente semplice ma scrupoloso:un grosso cristallo di grafite, la stessa pura grafite nelle matite, viene esfoliato usando del nastro adesivo per rimuovere gli strati superiori fino a raggiungere finalmente uno strato di carbonio sottile un solo atomo, con atomi disposti in un reticolo piatto a nido d'ape.

Per ottenere l'effetto quantico desiderato, i ricercatori di Princeton, seguendo il lavoro di Jarillo-Herrero, posizionato due fogli di grafene uno sopra l'altro con lo strato superiore leggermente inclinato. Questa torsione crea un motivo moiré, che ricorda e prende il nome da un comune disegno tessile francese. Il punto importante, però, è l'angolo con cui è posizionato lo strato superiore di grafene:precisamente 1,1 gradi, l'angolo "magico" che produce l'effetto quantistico.

"È un problema così strano in natura, "Nuckoll ha detto, "che è esattamente questo un angolo che deve essere raggiunto." Inclinando lo strato superiore di grafene a 1,2 gradi, Per esempio, non produce alcun effetto.

I ricercatori hanno generato temperature estremamente basse e creato un leggero campo magnetico. Hanno quindi usato una macchina chiamata microscopio a scansione a effetto tunnel, che si basa su una tecnica chiamata "tunnel quantistico" piuttosto che sulla luce per visualizzare il mondo atomico e subatomico. Hanno diretto la punta metallica conduttiva del microscopio sulla superficie del grafene attorcigliato ad angolo magico e sono stati in grado di rilevare i livelli di energia degli elettroni.

Hanno scoperto che il grafene ad angolo magico ha cambiato il modo in cui gli elettroni si sono mossi sul foglio di grafene. "Crea una condizione che costringe gli elettroni ad essere alla stessa energia, " ha detto Yazdani. "Chiamiamo questo un 'flat band.'"

Quando gli elettroni hanno la stessa energia, si trovano in un materiale a banda piatta, interagiscono tra loro in modo molto forte. "Questa interazione può far fare agli elettroni molte cose esotiche, " ha detto Yazdani.

Una di queste cose "esotiche", i ricercatori hanno scoperto, era la creazione di stati topologici inaspettati e spontanei.

"Questa torsione del grafene crea le condizioni giuste per creare un'interazione molto forte tra gli elettroni, " ha spiegato Yazdani. "E questa interazione favorisce inaspettatamente gli elettroni ad organizzarsi in una serie di stati quantistici topologici".

Nello specifico, hanno scoperto che l'interazione tra gli elettroni crea i cosiddetti isolanti topologici. Questi sono dispositivi unici che fungono da isolanti nei loro interni, il che significa che gli elettroni all'interno non sono liberi di muoversi e quindi non conducono elettricità. Però, gli elettroni sui bordi sono liberi di muoversi, nel senso che sono conduttive. Inoltre, a causa delle proprietà speciali della topologia, gli elettroni che scorrono lungo i bordi non sono ostacolati da difetti o deformazioni. Scorrono continuamente ed eludono efficacemente i vincoli, come le piccole imperfezioni nella superficie di un materiale, che tipicamente impediscono il movimento degli elettroni.

Nel corso dei lavori, Il gruppo sperimentale di Yazdani ha unito altri due Princetoniani:Andrei Bernevig, professore di fisica, e Biao Lian, assistente professore di fisica, per comprendere il meccanismo fisico alla base delle loro scoperte.

"La nostra teoria mostra che due ingredienti importanti - interazioni e topologia - che in natura appaiono per lo più disaccoppiati l'uno dall'altro, combinare in questo sistema, " ha detto Bernevig. Questo accoppiamento crea gli stati isolanti topologici che sono stati osservati sperimentalmente.

Sebbene il campo della topologia quantistica sia relativamente nuovo, ha un grande potenziale per rivoluzionare i settori dell'ingegneria elettrica, scienza dei materiali e soprattutto informatica.

"La gente parla molto della sua rilevanza per l'informatica quantistica, dove puoi usare questi stati quantistici topologici per creare tipi migliori di bit quantistici, " Ha detto Yazdani. "La motivazione per quello che stiamo cercando di fare è capire come l'informazione quantistica può essere codificata all'interno di una fase topologica. La ricerca in questo settore sta producendo una nuova entusiasmante scienza e può avere un potenziale impatto nel progresso delle tecnologie dell'informazione quantistica".

Yazdani e il suo team continueranno la loro ricerca per capire come le interazioni degli elettroni diano luogo a diversi stati topologici.

"L'interazione tra la topologia e la superconduttività in questo sistema di materiali è piuttosto affascinante ed è qualcosa che cercheremo di capire in seguito, " ha detto Yazdani.