Elettroni in un metallo quantistico topologico in attesa di essere attivati da un campo magnetico. Una volta che iniziano a muoversi, seguono un'elica a spirale verso l'alto – in contrasto con l'immagine precedentemente proposta di elettroni che si muovono in cerchio in un piano bidimensionale. Questo crea un effetto speciale che è la base per promettenti fenomeni quantistici topologici. Credito:Jörg Bandmann
Gli scienziati del Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter hanno sviluppato una nuova comprensione di come si comportano gli elettroni in forti campi magnetici. I loro risultati spiegano le misurazioni delle correnti elettriche nei materiali tridimensionali che segnalano un effetto Hall quantistico, un fenomeno finora associato solo ai metalli bidimensionali. Questo nuovo effetto 3D può essere la base per i fenomeni quantistici topologici, che si ritiene siano candidati particolarmente robusti e quindi promettenti per tecnologie quantistiche estremamente potenti. Questi risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .
Il Dr. Tobias Meng e il Dr. Johannes Gooth sono ricercatori all'inizio della carriera nel Cluster of Excellence di Würzburg-Dresdner ct.qmat che ricerca materiali quantistici topologici dal 2019. Non potevano credere ai risultati di una recente pubblicazione in Natura affermando che gli elettroni nel pentatellururo di zirconio metallico topologico (ZrTe 5 ) si muovono solo su piani bidimensionali, nonostante il materiale sia tridimensionale. Meng e Gooth iniziarono quindi le proprie ricerche e sperimentazioni sul materiale ZrTe 5 . Meng della Technische Universität Dresden (TUD) ha sviluppato il modello teorico, Gooth dell'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi ha progettato gli esperimenti. Sette misurazioni con tecniche diverse portano sempre alla stessa conclusione.
Elettroni in attesa del loro turno
La ricerca di Meng e Gooth dipinge un nuovo quadro di come funziona l'effetto Hall nei materiali tridimensionali. Gli scienziati ritengono che gli elettroni si muovano attraverso il metallo lungo percorsi tridimensionali, ma il loro trasporto elettrico può ancora apparire bidimensionale. Nel metallo topologico pentatellururo di zirconio, questo è possibile perché una frazione degli elettroni è ancora in attesa di essere attivata da un campo magnetico esterno.
"Il modo in cui gli elettroni si muovono è coerente in tutte le nostre misurazioni, e simile a quanto altrimenti noto dagli effetti di Hall quantistici bidimensionali. Ma i nostri elettroni si muovono verso l'alto in spirali, piuttosto che essere confinato a un movimento circolare nei piani. Questa è un'eccitante differenza rispetto all'effetto Hall quantistico e agli scenari proposti per ciò che accade nel materiale ZrTe5, " commenta Meng sulla genesi del loro nuovo modello scientifico. "Questo funziona solo perché non tutti gli elettroni si muovono in ogni momento. Alcuni restano fermi, come se fossero in fila. Solo quando viene applicato un campo magnetico esterno diventano attivi."
Resistività di Hall in funzione del campo magnetico applicato a 2 K in unità della costante di Planck h, la carica elementare e e il vettore d'onda di Fermi lungo il campo magnetico applicato kF, z Uno schizzo del campione è mostrato in alto a sinistra. La superficie tridimensionale di Fermi degli elettroni in ZrTe5 è mostrata in basso a destra. Credito:© MPI CPfS
Gli esperimenti confermano il modello
Per i loro esperimenti, gli scienziati hanno raffreddato il materiale quantistico topologico fino a -271 gradi Celsius e hanno applicato un campo magnetico esterno. Quindi, hanno eseguito misurazioni elettriche e termoelettriche inviando correnti attraverso il campione, studiato la sua termodinamica analizzando le proprietà magnetiche del materiale, e ultrasuoni applicati. Hanno anche usato i raggi X, Raman e spettroscopia elettronica per esaminare il funzionamento interno del materiale. "Ma nessuna delle nostre sette misurazioni ha suggerito che gli elettroni si muovano solo bidimensionalmente, " spiega Meng, capo del gruppo Emmy Noether per Quantum Design presso TUD e principale teorico del presente progetto. "Il nostro modello è infatti sorprendentemente semplice, e spiega ancora perfettamente tutti i dati sperimentali."
Prospettive per i materiali quantistici topologici in 3D
L'effetto Hall quantistico, vincitore del premio Nobel, è stato scoperto nel 1980 e descrive la conduzione graduale della corrente in un metallo. È un caposaldo della fisica topologica, un campo che ha conosciuto un'impennata dal 2005 grazie alle sue promesse per i materiali funzionali del 21° secolo. Ad oggi, però, l'effetto Hall quantistico è stato osservato solo nei metalli bidimensionali. I risultati scientifici della presente pubblicazione ampliano la comprensione di come i materiali tridimensionali si comportano nei campi magnetici. I membri del cluster Meng e Gooth intendono proseguire ulteriormente questa nuova direzione di ricerca:"Vogliamo sicuramente studiare il comportamento di coda degli elettroni nei metalli 3D in modo più dettagliato, "dice Meng.
