Scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e collaboratori del Brookhaven National Laboratory e dell'Università dell'Alabama a Birmingham hanno scoperto un nuovo interruttore indotto dalla luce che distorce il reticolo cristallino del materiale, accendendo una gigantesca corrente di elettroni che sembra essere quasi priva di dissipazione. La scoperta è stata fatta in una categoria di materiali topologici molto promettenti per la spintronica, transistor ad effetto topologico, e informatica quantistica.

I semimetalli Weyl e Dirac possono ospitare esotici, quasi senza dissipazione, proprietà di conduzione degli elettroni che sfruttano lo stato unico nel reticolo cristallino e la struttura elettronica del materiale che protegge gli elettroni dal farlo. Questi canali di trasporto di elettroni anomali, protetto da simmetria e topologia, normalmente non si verificano in metalli convenzionali come il rame. Dopo decenni di essere descritto solo nel contesto della fisica teorica, c'è un crescente interesse per la fabbricazione, esplorando, raffinamento, e controllare le loro proprietà elettroniche topologicamente protette per le applicazioni dei dispositivi. Per esempio, l'adozione su larga scala dell'informatica quantistica richiede la costruzione di dispositivi in ​​cui gli stati quantistici fragili siano protetti da impurità e ambienti rumorosi. Un approccio per raggiungere questo obiettivo è attraverso lo sviluppo del calcolo quantistico topologico, in cui i qubit si basano su correnti elettriche prive di dissipazione "protette dalla simmetria" e immuni al rumore.

"Torsione reticolare indotta dalla luce, o un interruttore fononico, può controllare la simmetria di inversione del cristallo e fotogenerare una corrente elettrica gigante con una resistenza molto piccola, " ha detto Jigang Wang, scienziato senior all'Ames Laboratory e professore di fisica all'Iowa State University. "Questo nuovo principio di controllo non richiede campi elettrici o magnetici statici, e ha velocità molto più elevate e costi energetici inferiori."

"Questa scoperta potrebbe essere estesa a un nuovo principio di calcolo quantistico basato sulla fisica chirale e sul trasporto di energia senza dissipazione, che può funzionare a velocità molto più elevate, costi energetici inferiori e temperature di esercizio elevate." ha affermato Liang Luo, uno scienziato dell'Ames Laboratory e primo autore dell'articolo.

Wang, Luo, e i loro colleghi hanno realizzato proprio questo, utilizzando la spettroscopia di luce laser terahertz (un trilione di cicli al secondo) per esaminare e spingere questi materiali a rivelare i meccanismi di commutazione di simmetria delle loro proprietà.

In questo esperimento, il team ha alterato la simmetria della struttura elettronica del materiale, utilizzando impulsi laser per torcere la disposizione reticolare del cristallo. Questo interruttore della luce abilita "punti Weyl" nel materiale, facendo sì che gli elettroni si comportino come particelle prive di massa che possono trasportare il protetto, corrente a bassa dissipazione ricercata.

"Abbiamo ottenuto questa gigantesca corrente senza dissipazione guidando movimenti periodici degli atomi attorno alla loro posizione di equilibrio per rompere la simmetria di inversione del cristallo, "dice Ilias Perakis, professore di fisica e cattedra presso l'Università dell'Alabama a Birmingham. "Questo principio di controllo del trasporto e della topologia del semimetallo Weyl indotto dalla luce sembra essere universale e sarà molto utile nello sviluppo del futuro calcolo quantistico ed elettronica con alta velocità e basso consumo energetico".

"Quello che ci è mancato fino ad ora è un interruttore a bassa energia e veloce per indurre e controllare la simmetria di questi materiali, " disse Qiang Li, Capogruppo dell'Advanced Energy Materials Group del Brookhaven National Laboratory. "La nostra scoperta di un interruttore a simmetria della luce apre un'affascinante opportunità di trasportare corrente di elettroni senza dissipazione, uno stato topologicamente protetto che non si indebolisce né rallenta quando incontra imperfezioni e impurità nel materiale."

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento "Un interruttore di simmetria fono indotta dalla luce e fotocorrente topologica senza dissipazione gigante in ZrTe5, " pubblicato in Materiali della natura .