Una rappresentazione artistica delle dispersioni di bande per un determinato materiale. I nastri neri rappresentano diverse bande, mentre l'asse verticale è l'energia cinetica. Al centro sono presenti due fasce piatte originate dalla singolare struttura a kagome del materiale. Credito:© MPI CPfS
Trovare gli ingredienti giusti per creare materiali con proprietà quantistiche esotiche è stata una chimera per gli scienziati sperimentali, a causa delle infinite combinazioni possibili di diversi elementi da sintetizzare.
D'ora in poi, la creazione di tali materiali potrebbe procedere in maniera meno alla cieca grazie a una collaborazione internazionale guidata da Andrei Bernevig, Ikerbasque visiting professor presso il Donostia International Physics Center (DIPC) e professore alla Princeton University, e Nicolas Regnault, dalla Princeton University e l'Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, inclusa la partecipazione di Luis Elcoro dell'Università dei Paesi Baschi (UPV/EHU).
Il team ha condotto una ricerca sistematica di potenziali candidati in un enorme pagliaio di 55.000 materiali. Il processo di eliminazione è iniziato con l'identificazione dei cosiddetti materiali flat band, ovvero stati elettronici con energia cinetica costante. Pertanto, in una banda piatta il comportamento degli elettroni è governato principalmente dalle interazioni con altri elettroni. Tuttavia, i ricercatori si sono resi conto che la planarità non è l'unico requisito, perché quando gli elettroni sono legati troppo strettamente agli atomi, anche in una banda piatta, non sono in grado di muoversi e creare stati della materia interessanti. "Vuoi che gli elettroni si vedano, qualcosa che puoi ottenere assicurandoti che siano estesi nello spazio. Questo è esattamente ciò che le bande topologiche portano sul tavolo", afferma Nicolas Regnault.
La topologia svolge un ruolo cruciale nella moderna fisica della materia condensata, come suggerito dai tre premi Nobel nel 1985, 1997 e 2016. Impone l'estensione di alcune funzioni d'onda quantistiche rendendole insensibili alle perturbazioni locali come le impurità. Potrebbe imporre la quantizzazione di alcune proprietà fisiche, come una resistenza, o portare a stati superficiali perfettamente conduttivi.
Fortunatamente, il team è stato in prima linea nella caratterizzazione delle proprietà topologiche delle bande attraverso il loro approccio noto come "chimica quantistica topologica", fornendo così loro un ampio database di materiali, nonché gli strumenti teorici per cercare bande piatte topologiche.
Impiegando strumenti che vanno dai metodi analitici alle ricerche con la forza bruta, il team ha trovato tutti i materiali a banda piatta attualmente conosciuti in natura. Questo catalogo di materiali flat band è disponibile online con un proprio motore di ricerca. "La comunità ora può cercare bande topologiche piatte nei materiali. Abbiamo trovato, su 55.000 materiali, circa 700 che esibiscono quelle che potrebbero essere bande piatte potenzialmente interessanti", afferma Yuanfeng Xu, dell'Università di Princeton e del Max Planck Institute of Microstructure Physics, uno dei due autori principali dello studio. "Ci siamo assicurati che i materiali che promuoviamo fossero candidati promettenti per la sintesi chimica", sottolinea Leslie Schoop del dipartimento di chimica di Princeton. Il team ha ulteriormente classificato le proprietà topologiche di queste bande, scoprendo che tipo di elettroni delocalizzati ospitano.
Ora che questo ampio catalogo è stato completato, il team inizierà a coltivare i materiali previsti per scoprire sperimentalmente la potenziale miriade di nuovi stati interagenti. "Ora che sappiamo dove cercare, dobbiamo coltivare questi materiali", afferma Claudia Felser del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids. "Abbiamo un dream team di sperimentatori che lavora con noi. Sono ansiosi di misurare le proprietà fisiche di questi candidati e vedere quali eccitanti fenomeni quantistici emergeranno."
Il catalogo delle fasce piatte, pubblicato su Natura il 30 marzo 2022, rappresenta la fine degli anni di ricerca da parte del team. "Molte persone e molti istituti di sovvenzione e università a cui abbiamo presentato il progetto hanno affermato che era troppo difficile e non sarebbe mai stato possibile farlo. Ci sono voluti alcuni anni, ma ce l'abbiamo fatta", ha affermato Andrei Bernevig.
La pubblicazione di questo catalogo non solo ridurrà la fortuna nella ricerca di nuovi materiali, ma consentirà ampie ricerche di composti con proprietà esotiche, come magnetismo e superconduttività, con applicazioni in dispositivi di memoria o nel trasporto a lungo raggio senza dissipazione di potenza. + Esplora ulteriormente
