Immagine al microscopio elettronico a scansione (a sinistra) di nanofilo di esaboruro di samario legato a STM, con immagini di un nuovo studio (al centro ea destra). L'immagine centrale è una vista ingrandita, che mostra le strisce di luce-scuro-luce che si verificano nel materiale antiferromagnetico. Credito:fornito dagli autori per l'uso in questa notizia
Sia che guardi nello spazio o scruti in profondità nel regno microscopico, c'è sempre di più da vedere. Nel caso dei solidi, c'è un mondo di atomi e particelle brulicante di attività che alla fine porta a proprietà utili come conduzione elettrica, magnetismo e isolamento.
Uno degli strumenti più potenti per vedere l'invisibile è un microscopio a effetto tunnel o STM in breve. Piuttosto che una lente ottica, il suo potente occhio proviene da una corrente elettrica che passa tra la punta del microscopio e il materiale del campione. La punta scansiona il campione e produce un segnale che cambia in base alla disposizione degli atomi all'interno di un determinato materiale. Nel loro insieme, le scansioni mappano le superfici con una risoluzione sub-nanometrica, rivelando le posizioni degli elettroni e dei singoli atomi.
Recentemente un team di ricercatori IQUIST dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha aggiunto una svolta al loro STM sostituendo la punta con un nanofilo realizzato con un materiale esotico, l'esaboruro di samario (SmB6 ). Usano il nanofilo per visualizzare le caratteristiche magnetiche in un approccio che presenta potenziali vantaggi rispetto ad altri metodi. Come pubblicato nel numero del 9 settembre di Scienza, le loro misurazioni e calcoli combinati hanno mostrato prove della natura insolita del nanofilo stesso.
"Lin Jiao, un ex post-dottorato nel nostro gruppo, ha proposto l'idea che questo tipo di punta di nanofili potrebbe essere in grado di darci una risposta sì-no sul fatto che un materiale fosse magnetico o meno", ha affermato Vidya Madhavan, membro di IQUIST, un professore di fisica e autore corrispondente sulla carta. "Con nostra grande sorpresa, Anuva Aishwarya, una studentessa laureata del gruppo, ha mostrato che questi suggerimenti potrebbero fornire molte più informazioni di così."
Al centro di un STM c'è un effetto che consente agli elettroni di "tunnel" attraverso una barriera. Gli elettroni sono particelle fondamentali governate dalla fisica quantistica e possono agire come onde. A differenza delle onde d'acqua, gli elettroni non si dissipano o rimbalzano completamente quando colpiscono una superficie. Quando incontrano una barriera super sottile, un po' dell'onda può filtrare attraverso un processo chiamato tunneling quantistico. In un STM, c'è uno spazio tra la punta del microscopio e il materiale del campione. Gli elettroni possono scavalcare questo spazio, creando un segnale elettrico che, a sua volta, contiene informazioni sul campione.
Oltre alla carica, gli elettroni hanno una proprietà chiamata spin, che può essere raffigurata come una freccia attaccata all'elettrone. Tipicamente le correnti elettriche potrebbero contenere elettroni con i loro spin puntati in direzioni casuali. Ma gli scienziati possono convincere alcuni materiali a trasportare correnti con la direzione di rotazione bloccata. Ad esempio, le correnti a spin fisso (polarizzate) negli STM possono essere generate con una combinazione di punte magnetiche e magneti esterni. Sfortunatamente, i magneti aggiunti possono essere invasivi e possono inavvertitamente influenzare gli atomi del campione. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno adottato un approccio diverso alla creazione di correnti spin-polarizzate.
Invece di utilizzare una punta magnetica, il team ha utilizzato SmB6 non magnetico . Circa un decennio fa, gli scienziati hanno predetto che questo materiale potrebbe essere un isolante topologico Kondo, che dovrebbe avere correnti spin-polarizzate insolitamente stabili senza magneti aggiunti. Così, sulla superficie di SmB6 le correnti elettriche che si muovono a destra dovrebbero avere elettroni con spin-up e viceversa per le correnti a sinistra. Le correnti possono anche sopravvivere di fronte a difetti indesiderati nel materiale. Questa è una caratteristica generale degli isolanti topologici, ma gli scienziati hanno affrontato sfide nel tradurre questa fisica piuttosto esotica in applicazioni tecnologiche del mondo reale. Inoltre, gli scienziati stanno ancora cercando di comprendere le diverse varietà di materiali topologici. Questo nuovo studio fornisce prove evidenti che SmB6 è infatti un isolante topologico Kondo e mette in funzione le sue correnti peculiari semplificando l'imaging magnetico.
Nel laboratorio di Madhavan, il team ha utilizzato la nanofabbricazione per modificare l'STM. Zhuozhen (uno studente universitario del gruppo) guidato da Lin, ha trascorso centinaia di ore in una camera bianca sviluppando questa procedura. In primo luogo, hanno usato un raggio di ioni per tagliare la punta normale, che è fatta di tungsteno. Quindi hanno incorporato il nanofilo in una trincea larga solo poche centinaia di nanometri. I fili avevano un diametro di circa 60-100 nanometri, che è all'incirca le dimensioni di alcuni virus.
Hanno scansionato la punta sulla superficie del tellururo di ferro, che è un antiferromagnete. Tali materiali hanno regioni alternate di elettroni spin-up e spin-down e la magnetizzazione complessiva si annulla. Ciò è in contrasto con i magneti a barra comuni più familiari, che hanno tutti gli spin degli elettroni puntati in un'unica direzione. Le precedenti immagini STM con punte magnetiche mostravano strisce chiare-scure-chiare, il che significa che il campione è antiferromagnetico. Il team ha raccolto immagini simili con la nuova configurazione di nanofili non magnetici, che indicava che gli elettroni tunneling da SmB6 erano spin-polarizzati. Quando la punta si trovava su una regione dell'antiferromagnete con spin che corrispondevano all'orientamento degli spin della corrente superficiale, il segnale aumentava; in caso contrario, è diminuito. L'STM ha mappato queste variazioni durante la scansione del campione e ha mostrato schemi chiari corrispondenti alle strisce a rotazione alternata.
Per confermare ulteriormente che i segnali nanowire erano correlati alle correnti insolite di SmB6 , il team ha riscaldato l'esperimento sopra i 10 Kelvin. A questa temperatura, SmB6 non dovrebbe più essere un isolante topologico Kondo e perderà le sue correnti di spin superficiale. Fondamentalmente, l'STM non ha più osservato alcuna striscia antiferromagnetica, anche se l'ordinamento magnetico del campione sopravvive a questa temperatura. Hanno scoperto che le correnti spin-polarizzate semplicemente non erano presenti nel nanofilo al di sopra di questa temperatura. Il team ha eseguito un terzo controllo delle correnti spin-polarizzate cambiando la direzione della tensione applicata alla punta del nanofilo. Ciò ha invertito la direzione della corrente di tunneling tra l'STM e il campione. Le immagini STM hanno mostrato che il contrasto nelle immagini è invertito, cosa che può verificarsi solo se gli elettroni tunneling hanno una polarizzazione di spin che si inverte quando la corrente cambia direzione. Insieme, queste prove hanno mostrato la natura esotica di SmB6 .
"Possiamo cambiare il nanofilo sulla punta con un materiale diverso, che ci permetterebbe di sondare altri aspetti, potenzialmente insoliti, del nostro campione", ha affermato Anuva Aishwarya, autrice principale e studentessa laureata in fisica nel gruppo di Madhavan. "Sono molto entusiasta di questo perché apre le porte a una nuova tecnica di rilevamento su nanoscala!"
Le proprietà della punta erano sorprendentemente ripetibili, ha detto Madhavan. Il team potrebbe persino esporre i nanofili all'aria e si sono comportati costantemente bene nell'STM. Molto è ancora sconosciuto su SmB6 , ma le sue solide prestazioni combinate con i dati di misurazione sono coerenti con le previsioni sulla sua natura topologica.
"Questa tecnica è forse la prima vera applicazione di un isolante topologico e, sorprendentemente, affinché funzioni, è fondamentale che l'origine della topologia provenga da forti interazioni a molti elettroni come previsto in SmB6 ", ha affermato Taylor Hughes, membro di IQUIST, professore di fisica e coautore dello studio.
In studi futuri, il team prevede di modificare il nanofilo per vedere se può rivelare ancora più caratteristiche del materiale. Ad esempio, sono interessati a creare e rilevare entità simili a particelle esotiche come i fermioni di Majorana, che sono stati a lungo proposti come base per nuovi dispositivi di calcolo quantistico. + Esplora ulteriormente
