Nuovi dispositivi elettronici efficienti dal punto di vista energetico potrebbero essere possibili grazie alla ricerca che dimostra l'effetto Hall anomalo quantistico (QAH), in cui una corrente elettrica non perde energia mentre scorre lungo i bordi del materiale, in una gamma più ampia di condizioni. Un team di ricercatori della Penn State ha realizzato sperimentalmente l'effetto QAH in un isolante multistrato, essenzialmente producendo un'autostrada a più corsie per il trasporto di elettroni che potrebbe aumentare la velocità e l'efficienza del trasferimento di informazioni senza perdita di energia.

"Il basso consumo energetico è fondamentale nei dispositivi elettronici, quindi c'è molta ricerca sui materiali che possono migliorare l'efficienza del flusso di elettroni, " disse Cui-Zu Chang, assistente professore di fisica alla Penn State che ha guidato la ricerca. "L'aumento del numero di elettroni nella maggior parte dei metalli si traduce in una sorta di ingorgo stradale perché gli elettroni che si muovono in direzioni diverse vengono dispersi e si respingono a vicenda. Ma negli isolanti QAH, il flusso di elettroni è vincolato ai bordi, e gli elettroni su un lato possono andare solo in una direzione e quelli sull'altro lato possono andare solo nella direzione opposta, come dividere una strada in un'autostrada a due corsie. In questo studio, abbiamo fabbricato isolanti QAH che potrebbero essere stratificati per creare essenzialmente autostrade parallele una sopra l'altra."

Gli isolanti QAH sono creati in un materiale chiamato isolante topologico, un sottile strato di pellicola con uno spessore di solo un paio di dozzine di atomi, che sono stati resi magnetici in modo che conducano corrente solo lungo i bordi. Per rendere magnetici gli isolanti topologici, i ricercatori aggiungono impurità magnetiche nel materiale in un processo chiamato drogaggio magnetico diluito. In questo studio, il team di ricerca della Penn State ha utilizzato una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare per fabbricare isolanti topologici multistrato, controllando attentamente dove si è verificato il doping magnetico.

"Gli isolanti QAH sono di particolare interesse perché teoricamente non hanno dissipazione di energia, il che significa che gli elettroni non perdono energia sotto forma di calore mentre la corrente elettrica scorre lungo i bordi, " disse Chao-Xing Liu, professore associato di fisica alla Penn State e coautore del documento. "Questa proprietà unica rende gli isolanti QAH un buon candidato per l'uso in computer quantistici e altri piccoli, dispositivi elettronici veloci."

Negli studi precedenti, l'effetto QAH era stato realizzato sperimentalmente solo in materiali in cui una quantità importante chiamata numero di Chern aveva un valore di 1, essenzialmente con un'unica autostrada a due corsie per gli elettroni. In questo studio, i ricercatori hanno impilato strati alternati di isolanti topologici magnetici e non magnetici e sono stati in grado di realizzare lo stato QAH con numeri di Chern fino a 5, essenzialmente costruendo 5 autostrade parallele per gli elettroni su ogni lato del materiale per un totale di 10 corsie. Presentano i loro risultati in un articolo apparso online il 16 dicembre sulla rivista Natura .

"Vediamo una certa dissipazione di corrente nei punti di connessione tra gli isolatori QAH e gli elettrodi metallici, che avviene sotto forma di calore, " ha detto Liu. "Puoi immaginarlo come le rampe di entrata e di uscita di un'autostrada trafficata, dove la stretta corsia di unione nel traffico locale ti rallenta. Costruendo più autostrade parallele, più corsie di raccordo possono collegare le autostrade al traffico locale, in modo che la velocità complessiva dell'intero sistema di traffico possa essere notevolmente migliorata."

I ricercatori hanno scoperto che aumentando lo spessore degli strati isolanti QAH, o manipolando la concentrazione di drogaggio magnetico nello strato QAH, potrebbero sintonizzare il numero Chern del campione. "In altre parole, potremmo cambiare il numero di corsie in autostrada con un pomello esterno, " disse Chang. "Anche ad alti numeri di Chern, gli isolatori QAH non avevano dissipazione lungo i canali di bordo. Ciò fornisce una prova di concetto per i dispositivi che sfruttano questa corrente edge senza dissipazione".

In questo studio, i ricercatori hanno fabbricato con cura isolanti QAH separati con diversi numeri di Chern. Nel futuro, sperano di sviluppare una tecnica per mettere a punto il numero di Chern di un campione già fabbricato, per il controllo "in tempo reale" del traffico di elettroni in un'autostrada dell'informazione.

Tradurre il progresso fondamentale fatto in questo studio in una tecnologia pratica è ancora una sfida poiché i fenomeni studiati qui sono limitati a temperature molto basse, circa un centesimo di grado Kelvin sopra lo zero assoluto. Ma Chang è ottimista:"Attraverso la sintesi creativa dei materiali, possiamo immaginare scenari che potrebbero aiutarci a realizzare questi effetti in condizioni tecnologicamente rilevanti".