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Cosa ci vorrà per rendere la nostra elettronica più intelligente, più veloce e più resiliente? Un'idea è di costruirli con materiali topologici.
La topologia deriva da una branca della matematica che studia forme che possono essere manipolate o deformate senza perdere alcune proprietà fondamentali. Una ciambella è un esempio comune:se fosse di gomma, una ciambella potrebbe essere attorcigliata e schiacciata in una forma completamente nuova, come una tazza di caffè, pur mantenendo un tratto chiave, ovvero il suo foro centrale, che assume la forma di il manico della tazza. Il foro, in questo caso, è un tratto topologico, robusto contro alcune deformazioni.
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno applicato concetti di topologia alla scoperta di materiali con proprietà elettroniche altrettanto robuste. Nel 2007, i ricercatori hanno previsto i primi isolanti topologici elettronici, materiali in cui gli elettroni si comportano in modi "topologicamente protetti" o persistenti di fronte a determinate interruzioni.
Da allora, gli scienziati hanno cercato materiali più topologici con l'obiettivo di costruire dispositivi elettronici migliori e più robusti. Fino a poco tempo, solo una manciata di tali materiali è stata identificata e quindi si presumeva che fosse una rarità.
Ora i ricercatori del MIT e altrove hanno scoperto che, in effetti, i materiali topologici sono ovunque, se sai come cercarli.
In un articolo pubblicato su Scienza , il team, guidato da Nicolas Regnault dell'Università di Princeton e dall'École Normale Supérieure di Parigi, riferisce di sfruttare la potenza di più supercomputer per mappare la struttura elettronica di oltre 96.000 materiali cristallini naturali e sintetici. Hanno applicato filtri sofisticati per determinare se e che tipo di tratti topologici esistono in ciascuna struttura.
Nel complesso, hanno scoperto che il 90 percento di tutte le strutture cristalline conosciute contiene almeno una proprietà topologica e oltre il 50 percento di tutti i materiali presenti in natura mostra una sorta di comportamento topologico.
"Abbiamo scoperto che esiste un'ubiquità:la topologia è ovunque", afferma Benjamin Wieder, co-responsabile dello studio e post-dottorato presso il Dipartimento di fisica del MIT.
Il team ha compilato i materiali appena identificati in un nuovo database di materiali topologici liberamente accessibile, simile a una tavola periodica della topologia. Con questa nuova libreria, gli scienziati possono cercare rapidamente i materiali di interesse per qualsiasi proprietà topologica che potrebbero contenere e sfruttarli per costruire transistor a bassissima potenza, nuova memoria magnetica e altri dispositivi con solide proprietà elettroniche.
L'articolo include l'autore principale Maia Vergniory del Vergniory del Donostia International Physics Center, Luis Elcoro dell'Università dei Paesi Baschi, Stuart Parkin e Claudia Felser del Max Planck Institute e Andrei Bernevig dell'Università di Princeton.
Al di là dell'intuizione
Il nuovo studio è stato motivato dal desiderio di accelerare la tradizionale ricerca di materiali topologici.
"Il modo in cui sono stati trovati i materiali originali è avvenuto attraverso l'intuizione chimica", afferma Wieder. "Quell'approccio ha avuto molti primi successi. Ma poiché teoricamente prevedevamo più tipi di fasi topologiche, sembrava che l'intuizione non ci stesse portando molto lontano".
Wieder e i suoi colleghi hanno invece utilizzato un metodo efficiente e sistematico per sradicare segni di topologia, o comportamento elettronico robusto, in tutte le strutture cristalline conosciute, note anche come materiali inorganici allo stato solido.
Per il loro studio, i ricercatori hanno esaminato l'Inorganic Crystal Structure Database, o ICSD, un repository in cui i ricercatori inseriscono le strutture atomiche e chimiche dei materiali cristallini che hanno studiato. Il database include materiali trovati in natura, così come quelli che sono stati sintetizzati e manipolati in laboratorio. L'ICSD è attualmente il più grande database di materiali al mondo, contenente oltre 193.000 cristalli le cui strutture sono state mappate e caratterizzate.
Il team ha scaricato l'intero ICSD e, dopo aver eseguito alcune operazioni di pulizia dei dati per eliminare le strutture con file danneggiati o dati incompleti, ai ricercatori sono rimaste poco più di 96.000 strutture processabili. Per ciascuna di queste strutture, hanno eseguito una serie di calcoli basati sulla conoscenza fondamentale della relazione tra costituenti chimici, per produrre una mappa della struttura elettronica del materiale, nota anche come struttura a bande di elettroni.
Il team è stato in grado di eseguire in modo efficiente i complicati calcoli per ciascuna struttura utilizzando più supercomputer, che hanno poi impiegato per eseguire una seconda serie di operazioni, questa volta per individuare varie fasi topologiche note o comportamento elettrico persistente in ciascun materiale cristallino.
"Stiamo cercando firme nella struttura elettronica in cui dovrebbero verificarsi determinati fenomeni robusti in questo materiale", spiega Wieder, il cui lavoro precedente prevedeva il perfezionamento e l'espansione della tecnica di screening, nota come chimica quantistica topologica.
Dalla loro analisi ad alto rendimento, il team ha scoperto rapidamente un numero sorprendentemente elevato di materiali che sono naturalmente topologici, senza alcuna manipolazione sperimentale, nonché materiali che possono essere manipolati, ad esempio con luce o drogaggio chimico, per esibire una sorta di robusto comportamento elettronico. Hanno anche scoperto una manciata di materiali che contenevano più di uno stato topologico quando esposti a determinate condizioni.
"Le fasi topologiche della materia nei materiali allo stato solido 3D sono state proposte come sedi per l'osservazione e la manipolazione di effetti esotici, inclusa l'interconversione della corrente elettrica e dello spin degli elettroni, la simulazione da tavolo di teorie esotiche della fisica delle alte energie e persino, sotto il condizioni giuste, la conservazione e la manipolazione delle informazioni quantistiche", osserva Wieder.
Per gli sperimentatori che stanno studiando tali effetti, Wieder afferma che il nuovo database del team ora rivela un serraglio di nuovi materiali da esplorare. + Esplora ulteriormente
