I materiali quantistici topologici sono considerati una pietra angolare dei futuri progressi tecnologici. Tuttavia, convalidare le loro qualità eccezionali è sempre stato un processo lungo.
I ricercatori del Cluster of Excellence ct.qmat hanno ora sviluppato una tecnica sperimentale che identifica sistematicamente materiali topologici bidimensionali attraverso un test rapido. Questa svolta potrebbe contribuire ad accelerare il progresso di questa classe di materiali in forte espansione.
I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters .
Nel 2007, il professor Laurens W. Molenkamp, membro fondatore del Cluster of Excellence ct.qmat — Complessity and Topology in Quantum Matter — di Würzburg-Dresda, ha fornito la prima prova sperimentale degli isolanti topologici, una nuova classe di materiali. Questi materiali si distinguono perché, sebbene il loro interno si comporti come un isolante elettrico, conducono gli elettroni sulla loro superficie senza alcuna resistenza.
Da quella scoperta rivoluzionaria, l’interesse globale per questi materiali è aumentato. Ciò è dovuto al loro ruolo fondamentale in una potenziale rivoluzione dei materiali e alle loro promettenti applicazioni nelle tecnologie quantistiche, come lo sviluppo di "chip freddi" che sono potenti, efficienti dal punto di vista energetico e non generano calore di scarto.
"Attualmente, il rilevamento sperimentale degli isolanti topologici richiede una ricerca molto complessa. Richiede una grande squadra e una notevole quantità di tempo per preparare un campione del materiale. Inoltre, il successo del rilevamento non è mai sicuro", osserva il professor Ralph Claessen, portavoce di ct.qmat a Würzburg.
Ma ora, un gruppo di ricerca ct.qmat di Würzburg ha ideato un metodo sistematico per identificare materiali quantistici topologici bidimensionali in tempi record utilizzando una tecnica di misurazione molto più semplice. "In sostanza, oltre a un campione di materiale promettente, tutto ciò di cui hai veramente bisogno sono raggi X speciali", spiega il Dr. Simon Moser, responsabile del progetto della JMU Würzburg.
"Le particelle di luce richieste dovrebbero essere ad alta frequenza e polarizzate circolarmente, il che significa che possiedono momento angolare. Ciò può essere ottenuto utilizzando qualsiasi sorgente di luce di sincrotrone.
"Ad esempio, i nostri campioni sono stati irradiati presso l'Elettra Sincrotrone di Trieste e presso la Diamond Light Source, la struttura scientifica nazionale del sincrotrone del Regno Unito presso l'Harwell Science and Innovation Campus nell'Oxfordshire."
Ciò che sembra semplice è in realtà un passo avanti significativo nella ricerca sui materiali quantistici topologici. "Se ti assicuri uno slot su un sincrotrone, puoi determinare entro circa una settimana se un materiale è un isolante topologico. Con il metodo tradizionale, questo richiede almeno una tesi di dottorato", osserva Moser.
L'essenza del nuovo metodo di test rapido risiede nella fotoemissione dicroica. Il campione di materiale viene esposto più volte alla luce ad alta frequenza con polarizzazione variabile. Inizialmente, solo gli elettroni che ruotano in senso orario, ad esempio, vengono rilasciati dal materiale. Successivamente vengono rilasciati solo gli elettroni che ruotano in senso antiorario.
Rilevare le diverse direzioni di rotazione degli elettroni utilizzando la fotoemissione dicroica e quindi svelarne la topologia non è un'idea nuova. Nel 2023, un altro team ct.qmat di Würzburg ha utilizzato per la prima volta questo metodo per analizzare la topologia di un metallo kagome.
"Hanno utilizzato la fotoemissione circolare per studiare il metallo kagome. Ci siamo concentrati sulla metodologia e abbiamo sviluppato un tipo di ricetta che ora funziona sempre, non solo per caso", afferma Moser, spiegando il nuovo approccio del suo team. "Il nostro test rapido rende sistematicamente visibile la topologia degli elettroni."
Poiché i ricercatori hanno una lunga esperienza nello studio del materiale quantistico bidimensionale indenene, hanno utilizzato questo materiale anche per sviluppare il metodo di test rapido. Inoltre, stanno già applicando il principio ad altri materiali. Un recente esperimento prevedeva l'irradiazione di un campione di bismutene e i dati verranno analizzati a breve.
