Gli elettroni in un solido occupano bande di energia distinte separate da spazi vuoti. I band gap energetici sono una "terra di nessuno" elettronica, " un intervallo di energia in cui non sono ammessi elettroni. Ora, scienziati che studiano un composto contenente ferro, tellurio, e il selenio hanno scoperto che un gap di banda di energia si apre in un punto in cui due bande di energia consentite si intersecano sulla superficie del materiale. Hanno osservato questo comportamento elettronico inaspettato quando hanno raffreddato il materiale e hanno sondato la sua struttura elettronica con la luce laser. Le loro scoperte, riportato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , potrebbe avere implicazioni per la futura scienza dell'informazione quantistica ed elettronica.

Il particolare composto appartiene alla famiglia dei superconduttori ad alta temperatura a base di ferro, che sono stati inizialmente scoperti nel 2008. Questi materiali non solo conducono elettricità senza resistenza a temperature relativamente più elevate (ma ancora molto fredde) rispetto ad altre classi di superconduttori, ma mostrano anche proprietà magnetiche.

"Per un po, la gente pensava che la superconduttività e il magnetismo avrebbero funzionato l'uno contro l'altro, " ha detto il primo autore Nader Zaki, un associato scientifico nel gruppo di spettroscopia elettronica della divisione di fisica e scienza dei materiali condensati (CMPMS) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE). "Abbiamo esplorato un materiale in cui entrambi si sviluppano allo stesso tempo".

Oltre alla superconduttività e al magnetismo, alcuni superconduttori a base di ferro hanno le condizioni giuste per ospitare stati di superficie "topologici". L'esistenza di questi stati elettronici unici, localizzati in superficie (non esistono nella massa del materiale), riflette forti interazioni tra lo spin di un elettrone e il suo movimento orbitale attorno al nucleo di un atomo.

"Quando hai un superconduttore con proprietà di superficie topologiche, sei eccitato dalla possibilità della superconduttività topologica, " ha detto l'autore corrispondente Peter Johnson, capo del gruppo di spettroscopia elettronica. "La superconduttività topologica è potenzialmente in grado di supportare i fermioni di Majorana, che potrebbero servire come qubit, gli elementi costitutivi della memorizzazione delle informazioni dei computer quantistici".

I computer quantistici promettono enormi accelerazioni per i calcoli che richiederebbero una quantità di tempo impraticabile o sarebbero impossibili sui computer tradizionali. Una delle sfide per realizzare il calcolo quantistico pratico è che i qubit sono altamente sensibili al loro ambiente. Piccole interazioni fanno perdere loro il loro stato quantico e quindi le informazioni memorizzate vengono perse. La teoria predice che i fermioni di Majorana (quasiparticelle ricercate) esistenti negli stati di superficie topologici superconduttori sono immuni ai disturbi ambientali, rendendoli una piattaforma ideale per qubit robusti.

Considerando i superconduttori a base di ferro come una piattaforma per una serie di fenomeni esotici e potenzialmente importanti, Zaki, Johnson, e i loro colleghi si sono proposti di comprendere i ruoli della topologia, superconduttività e magnetismo.

Il fisico senior della divisione CMPMS Genda Gu per primo ha coltivato cristalli singoli di alta qualità del composto a base di ferro. Quindi, Zaki ha mappato la struttura a bande elettroniche del materiale tramite spettroscopia di fotoemissione basata su laser. Quando la luce di un laser viene focalizzata su un piccolo punto del materiale, gli elettroni dalla superficie vengono "espulsi" (cioè, fotoemesso). L'energia e la quantità di moto di questi elettroni possono quindi essere misurate.

Quando abbassarono la temperatura, è successo qualcosa di sorprendente.

"Il materiale è diventato superconduttore, come ci aspettavamo, e abbiamo visto un gap superconduttore associato a questo, " ha detto Zaki. "Ma quello che non ci aspettavamo era che lo stato topologico della superficie aprisse un secondo varco al punto Dirac. Potete immaginare la struttura delle bande energetiche di questo stato superficiale come una clessidra o due coni attaccati al loro apice. Il punto in cui questi coni si intersecano è chiamato punto di Dirac."

Come hanno spiegato Johnson e Zaki, quando si apre un varco al punto Dirac, è la prova che la simmetria di inversione del tempo è stata rotta. La simmetria di inversione temporale significa che le leggi della fisica sono le stesse sia che si guardi un sistema che va avanti o indietro nel tempo, come riavvolgere un video e vedere la stessa sequenza di eventi che si riproduce al contrario. Ma sotto l'inversione del tempo, gli spin degli elettroni cambiano direzione e rompono questa simmetria. Così, uno dei modi per rompere la simmetria di inversione temporale è sviluppare il magnetismo, in particolare, ferromagnetismo, un tipo di magnetismo in cui tutti gli spin degli elettroni si allineano in modo parallelo.

"Il sistema sta entrando nello stato superconduttore e sembra che il magnetismo si stia sviluppando, " ha detto Johnson. "Dobbiamo assumere che il magnetismo sia nella regione superficiale perché in questa forma non può coesistere nella massa. Questa scoperta è eccitante perché il materiale contiene molti aspetti fisici diversi:superconduttività, topologia, e ora il magnetismo. Mi piace dire che è uno sportello unico. Capire come questi fenomeni sorgono nel materiale potrebbe fornire una base per molte nuove ed entusiasmanti direzioni tecnologiche".

Come precedentemente notato, la superconduttività del materiale e i forti effetti spin-orbita potrebbero essere sfruttati per le tecnologie dell'informazione quantistica. In alternativa, il magnetismo del materiale e le forti interazioni spin-orbita potrebbero consentire il trasporto senza dissipazione (nessuna perdita di energia) della corrente elettrica nell'elettronica. Questa capacità potrebbe essere sfruttata per sviluppare dispositivi elettronici che consumano basse quantità di energia.

Coautori Alexei Tsvelik, scienziato senior e capogruppo del gruppo di teoria della materia condensata della divisione CMPMS, e Congjun Wu, professore di fisica all'Università della California, San Diego, ha fornito approfondimenti teorici su come la simmetria di inversione del tempo viene rotta e il magnetismo ha origine nella regione superficiale.

"Questa scoperta non solo rivela connessioni profonde tra gli stati superconduttori topologici e la magnetizzazione spontanea, ma fornisce anche importanti spunti sulla natura delle funzioni gap superconduttive nei superconduttori a base di ferro, un problema eccezionale nello studio di superconduttori non convenzionali fortemente correlati, " disse Wu.

In uno studio separato con altri collaboratori della Divisione CMPMS, il team sperimentale sta esaminando come le diverse concentrazioni dei tre elementi nel campione contribuiscono ai fenomeni osservati. Apparentemente, il tellurio è necessario per gli effetti topologici, troppo ferro uccide la superconduttività, e il selenio migliora la superconduttività.

Negli esperimenti successivi, il team spera di verificare la rottura della simmetria di inversione del tempo con altri metodi ed esplorare come la sostituzione di elementi nel composto modifica il suo comportamento elettronico.

"Come scienziati dei materiali, ci piace modificare gli ingredienti nella miscela per vedere cosa succede, " ha detto Johnson. "L'obiettivo è capire come la superconduttività, topologia, e il magnetismo interagiscono in questi materiali complessi."