Scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno osservato un nuovo ordinamento magnetico elicoidale nel composto topologico EuIn ₂ Come ₂ che supporta la conduzione elettrica esotica sintonizzabile da un campo magnetico. La scoperta ha implicazioni significative per la ricerca di base sulle proprietà topologiche funzionali e potrebbe un giorno trovare impiego in una serie di applicazioni tecnologiche avanzate.

I materiali topologici irruppero sulla scena nelle scienze fisiche una quindicina di anni fa, decenni dopo che la loro esistenza era stata teorizzata. Chiamato "topologico" perché le loro bande elettroniche alla rinfusa sono "annodate" insieme, le superfici degli isolanti topologici "sciolgono il nodo" e diventano metalliche. I ricercatori dell'Ames Laboratory's Center for the Advancement of Topological Semimetals (CATS) stanno cercando di scoprire, comprendere, e controllare le eccezionali proprietà di conduzione di questi materiali.

Gran parte della tecnologia moderna si basa su materiali cristallini, che sono solidi composti da una disposizione ripetuta (periodica) di atomi che forma un reticolo. A causa della periodicità, il reticolo ha lo stesso aspetto dopo alcune operazioni di simmetria come la traslazione, rotazioni specifiche, specchio, e/o inversione. L'esistenza o l'assenza di queste simmetrie influenza la topologia della banda elettronica e la conduzione elettronica di superficie. L'ordinamento magnetico può modificare le simmetrie esibite dal materiale, fornendo un mezzo aggiuntivo per controllare lo stato topologico.

In collaborazione con gli scienziati della Spallation Neutron Source dell'Oak Ridge National Laboratory, McGill University, e l'Università del Missouri Research Reactor Center, il team CATS ha scoperto l'esistenza di un ordinamento magnetico elicoidale a bassa simmetria in EuIn ₂ Come ₂ che supporta uno stato topologico molto ricercato chiamato isolante di assioni. Questo stato condivide somiglianze con la particella di assioni nella cromodinamica quantistica che è un componente candidato della materia oscura. Nei materiali allo stato solido, fornisce un notevole accoppiamento in parallelo tra proprietà magnetiche ed elettriche.

In presenza del complesso ordinamento magnetico elicoidale di EuIn ₂ Come ₂ , lo stato di assioni porta a caratteristiche topologiche nello spettro elettronico di superficie chiamate coni di Dirac. Quando un cono di Dirac si verifica su una superficie del materiale attraversata da un asse fondamentale dell'ordinamento magnetico, il cono non ha gap di energia e la superficie mostra una conduzione senza resistenza legata all'orientamento dello spin elettronico. Le altre superfici hanno coni di Dirac divaricati e supportano la conduzione elettrica quantizzata semi-intera. I ricercatori prevedono che l'applicazione di un campo magnetico relativamente moderato commuta le superfici che supportano quale tipo di cono Dirac, permettendo di sintonizzare la conduzione di superficie.

La capacità di passare da uno stato di superficie a un campo magnetico fornisce una via sperimentale per esaminare le proprietà uniche dei suoi stati topologici. Questa sintonizzabilità è promettente anche per tecnologie come sensori ad alta precisione, nanofili senza resistenza, supporti di memorizzazione magnetici, e computer quantistici. Gli studi futuri esamineranno i cristalli sfusi durante l'applicazione di un campo magnetico e sintetizzeranno e studieranno film sottili su scala nanometrica per aprire la strada ad applicazioni tecnologiche.

La carta, "Elettrodinamica degli assioni protetti da simmetria cristallina magnetica e coni di Dirac sbloccati sintonizzabili sul campo in EuIn ₂ Come ₂ , " è pubblicato in Comunicazioni sulla natura .