Smartphone, notebook e altri dispositivi elettronici della nostra vita quotidiana beneficiano fortemente della sempre crescente miniaturizzazione dei dispositivi a semiconduttore. Questo sviluppo ha tuttavia un prezzo:il confinamento degli elettroni ne aumenta la diffusione – i telefoni cellulari si surriscaldano.

Gli isolanti topologici promettono una tecnologia più efficiente e sostenibile. In contrasto con i semiconduttori convenzionali, la corrente scorre ai loro confini, con la dispersione che diventa proibita grazie a ragioni di simmetria. In altre parole, le cose rimangono fresche! Nel 2007 Laurens Molenkamp, fisico presso l'Università di Würzburg e membro del Cluster of Excellence, scoprì il primo materiale quantistico topologico, generando una risonanza mondiale nella comunità scientifica.

Indenene – un nido d'ape nascosto

Alla ricerca di nuovi materiali topologici, la maggior parte degli sforzi teorici finora si è concentrata su strati atomici bidimensionali in una disposizione a nido d'ape. La motivazione viene dal grafene, la "Drosophila" dei sistemi Hall di spin quantistico, o più semplicemente, un singolo strato della famosa grafite all'interno delle nostre matite classiche vecchio stile. Il gruppo di ricerca di Würzburg ha invece perseguito una strada alternativa:i fisici teorici attorno a Giorgio Sangiovanni hanno proposto di utilizzare un reticolo atomico triangolare più semplice.

Questa idea è stata messa in pratica dal team sperimentale di Ralph Claessen, portavoce della filiale di Würzburg di ct.qmat. Utilizzando tecniche di fasci molecolari all'avanguardia, i ricercatori sono riusciti a depositare un singolo strato di atomi di indio come reticolo triangolare su un cristallo di carburo di silicio come supporto, ottenendo indenene. Grazie a questa nuova combinazione di elementi costitutivi ed elementi chimici, i relativi elettroni non si localizzano direttamente sulle posizioni dell'indio ma preferiscono occupare lo spazio libero tra di loro. Dal punto di vista degli elettroni, la loro carica riempie il "negativo" del reticolo triangolare di indio che è in realtà un reticolo a nido d'ape, nascosto nei vuoti della struttura atomica.

Il responsabile del progetto Giorgio Sangiovanni lo spiega attraverso la natura quantomeccanica delle particelle:"Si possono descrivere gli elettroni di indio come onde che si accumulano nei vuoti del reticolo triangolare dove a prima vista non ti aspetteresti che siano. È interessante notare che la risultante connettività a nido d'ape "nascosta" porta a un isolante topologico particolarmente robusto, più del grafene."

Materiali quantistici topologici con vantaggi distintivi

Il design unico dei materiali che ha portato alla sintesi dell'indenene può migliorare l'attuale stato tecnologico nel campo dell'elettronica topologica:a differenza del grafene, l'indenene non ha bisogno di essere raffreddato a temperature ultra basse per manifestare le sue proprietà di isolante topologico. Questa è una conseguenza del reticolo triangolare particolarmente semplice che consente grandi domini strutturali, spesso un grave collo di bottiglia nella sintesi di altri materiali topologici.

"Siamo rimasti davvero sorpresi, che una struttura atomica così semplice può mostrare proprietà topologiche. Questa è una risorsa essenziale per la crescita di successo di film di indenene perfetto in grado di soddisfare gli standard esigenti richiesti per la nanofabbricazione di dispositivi. Per di più, l'uso del carburo di silicio come substrato di supporto ci consente di connetterci alla consolidata tecnologia dei semiconduttori, "dice Ralph Claessen, commentando il risultato scientifico.

Veduta

La semplice struttura dell'indenene rappresenta allo stesso tempo una sfida:non appena il singolo strato di atomi di indio entra in contatto con l'aria, il materiale perde le sue proprietà speciali. Per questo motivo i ricercatori stanno attualmente sviluppando uno strato di copertura atomica in grado di proteggere l'indenene da contaminazioni indesiderate durante la sua sintesi. Una soluzione a questi problemi aprirà la strada a un uso su larga scala di questi materiali quantistici topologici.