La scoperta, pubblicata su Nature , arrivò quando gli scienziati di Princeton scoprirono che un cristallo solido elementare fatto di atomi di arsenico (As) ospita una forma mai osservata prima di comportamento quantistico topologico. Sono stati in grado di esplorare e immaginare questo nuovo stato quantico utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM) e una spettroscopia di fotoemissione, quest'ultima una tecnica utilizzata per determinare l'energia relativa degli elettroni nelle molecole e negli atomi.

Questo stato combina, o "ibrida", due forme di comportamento quantistico topologico:stati di bordo e stati di superficie, che sono due tipi di sistemi elettronici quantistici bidimensionali. Questi sono stati osservati in esperimenti precedenti, ma mai contemporaneamente nello stesso materiale dove si mescolano per formare un nuovo stato della materia.

"Questa scoperta è stata del tutto inaspettata", ha affermato M. Zahid Hasan, professore di fisica Eugene Higgins all'Università di Princeton, che ha guidato la ricerca. "Nessuno lo aveva previsto in teoria prima della sua osservazione."

Negli ultimi anni, lo studio degli stati topologici della materia ha attirato notevole attenzione tra fisici e ingegneri ed è attualmente al centro di molto interesse e ricerca a livello internazionale. Quest'area di studio combina la fisica quantistica con la topologia, una branca della matematica teorica che esplora le proprietà geometriche che possono essere deformate ma non modificate intrinsecamente.

Per più di un decennio, gli scienziati hanno utilizzato isolanti topologici a base di bismuto (Bi) per dimostrare ed esplorare effetti quantistici esotici nei solidi sfusi, principalmente producendo materiali composti, come ad esempio la miscelazione di Bi con selenio (Se). Tuttavia, questo esperimento è la prima volta che vengono scoperti effetti topologici nei cristalli costituiti dall'elemento As.

"La ricerca e la scoperta di nuove proprietà topologiche della materia sono emerse come uno dei tesori più ricercati nella fisica moderna, sia da un punto di vista della fisica fondamentale che per trovare potenziali applicazioni nella scienza e nell'ingegneria quantistica di prossima generazione", ha affermato Hasan. "La scoperta di questo nuovo stato topologico realizzato in un solido elementare è stata resa possibile da molteplici progressi sperimentali e strumentazioni innovative nel nostro laboratorio a Princeton."

Un solido elementare funge da preziosa piattaforma sperimentale per testare vari concetti di topologia. Fino ad ora, il bismuto è stato l’unico elemento che ospita un ricco arazzo di topologia, che ha portato a due decenni di intense attività di ricerca. Ciò è in parte attribuito alla pulizia del materiale e alla facilità di sintesi. Tuttavia, l'attuale scoperta di fenomeni topologici ancora più ricchi nell'arsenico aprirà potenzialmente la strada a direzioni di ricerca nuove e durature.

"Per la prima volta, dimostriamo che, analogamente a diversi fenomeni correlati, anche ordini topologici distinti possono interagire e dare origine a nuovi e intriganti fenomeni quantistici", ha affermato Hasan.

Un materiale topologico è il componente principale utilizzato per indagare i misteri della topologia quantistica. Questo dispositivo agisce come un isolante al suo interno, il che significa che gli elettroni al suo interno non sono liberi di muoversi e, quindi, non conducono elettricità.

Tuttavia, gli elettroni sui bordi del dispositivo sono liberi di muoversi, il che significa che sono conduttivi. Inoltre, a causa delle particolari proprietà della topologia, gli elettroni che fluiscono lungo i bordi non sono ostacolati da eventuali difetti o deformazioni. Questo tipo di dispositivo ha il potenziale non solo di migliorare la tecnologia ma anche di generare una maggiore comprensione della materia stessa sondando le proprietà elettroniche quantistiche.

Hasan ha osservato che c’è molto interesse nell’utilizzo di materiali topologici per applicazioni pratiche. Ma prima che ciò possa realizzarsi è necessario che si verifichino due importanti progressi. Innanzitutto, gli effetti topologici quantistici devono manifestarsi a temperature più elevate. In secondo luogo, è necessario trovare sistemi materiali semplici ed elementari (come il silicio per l'elettronica convenzionale) che possano ospitare fenomeni topologici.

"Nei nostri laboratori, ci impegniamo in entrambe le direzioni:stiamo cercando sistemi di materiali più semplici con facilità di fabbricazione in cui si possano trovare effetti topologici essenziali", ha affermato Hasan. "Stiamo anche cercando come far sopravvivere questi effetti a temperatura ambiente."

Contesto dell'esperimento

Le radici della scoperta affondano nel funzionamento dell'effetto Hall quantistico, una forma di effetto topologico che fu oggetto del Premio Nobel per la fisica nel 1985. Da allora sono state studiate le fasi topologiche e molte nuove classi di materiali quantistici con caratteristiche topologiche. sono state trovate strutture elettroniche. In particolare, Daniel Tsui, professore emerito di ingegneria elettrica Arthur Legrand Doty a Princeton, ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1998 per la scoperta dell'effetto Hall quantistico frazionario.

Allo stesso modo, F. Duncan Haldane, professore di fisica Eugene Higgins a Princeton, ha vinto il premio Nobel per la fisica 2016 per le scoperte teoriche sulle transizioni di fase topologiche e su un tipo di isolante topologico bidimensionale (2D). Successivi sviluppi teorici hanno mostrato che gli isolanti topologici possono assumere la forma di due copie del modello di Haldane basato sull'interazione spin-orbita dell'elettrone.

Hasan e il suo gruppo di ricerca hanno seguito le orme di questi ricercatori indagando altri aspetti degli isolanti topologici e cercando nuovi stati della materia. Ciò li ha portati, nel 2007, alla scoperta dei primi esempi di isolanti topologici tridimensionali (3D). Da allora, Hasan e il suo team sono alla ricerca decennale di un nuovo stato topologico nella sua forma più semplice che possa funzionare anche a temperatura ambiente.

"Un'adeguata progettazione chimica atomica e strutturale abbinata alla teoria dei principi primi è il passo cruciale per rendere realistica la previsione speculativa dell'isolante topologico in un ambiente ad alta temperatura", ha affermato Hasan.

"Esistono centinaia di materiali quantistici e abbiamo bisogno sia di intuizione, di esperienza, di calcoli specifici dei materiali che di intensi sforzi sperimentali per trovare alla fine il materiale giusto per un'esplorazione approfondita. E questo ci ha portato in un viaggio decennale per indagare molti materiali quantistici. materiali basati su materiali naturali, che hanno portato a molte scoperte fondamentali."

L'esperimento

I materiali a base di bismuto sono capaci, almeno in linea di principio, di ospitare uno stato topologico della materia ad alte temperature. Tuttavia, questi richiedono una preparazione di materiali complessi in condizioni di vuoto ultra-alto, quindi i ricercatori hanno deciso di esplorare diversi altri sistemi. Il ricercatore post-dottorato Md. Shafayat Hossain ha suggerito un cristallo fatto di arsenico perché può essere coltivato in una forma più pulita di molti composti di bismuto.

Quando Hossain e Yuxiao Jiang, uno studente laureato del gruppo Hasan, hanno rivolto l'STM al campione di arsenico, sono stati accolti con un'osservazione drammatica:l'arsenico grigio, una forma di arsenico dall'aspetto metallico, ospita sia stati superficiali topologici che stati marginali. contemporaneamente.

"Siamo rimasti sorpresi. Si supponeva che l'arsenico grigio avesse solo stati superficiali. Ma quando abbiamo esaminato i bordi dei gradini atomici, abbiamo trovato anche bellissimi modi dei bordi conduttori", ha detto Hossain.

"Un bordo di gradino monostrato isolato non dovrebbe avere una modalità di bordo gapless", ha aggiunto Jiang, uno dei primi autori dello studio.

Questo è ciò che si osserva nei calcoli di Frank Schindler, ricercatore post-dottorato e teorico della materia condensata presso l’Imperial College di Londra nel Regno Unito, e Rajibul Islam, ricercatore post-dottorato presso l’Università dell’Alabama a Birmingham, in Alabama. Entrambi sono co-autori dell'articolo.

"Una volta che un bordo viene posizionato sopra il campione globale, gli stati superficiali si ibridano con gli stati gap sul bordo e formano uno stato gapless", ha affermato Schindler.

"Questa è la prima volta che assistiamo ad una tale ibridazione", ha aggiunto.

Fisicamente, uno stato così gapless sul bordo del gradino non è previsto né per gli isolanti topologici forti né per quelli di ordine superiore separatamente, ma solo per i materiali ibridi in cui sono presenti entrambi i tipi di topologia quantistica. Questo stato gapless è anche diverso dagli stati di superficie o di cerniera rispettivamente negli isolanti topologici forti e di ordine superiore. Ciò significa che l'osservazione sperimentale da parte del team di Princeton ha immediatamente indicato un tipo di stato topologico mai osservato prima.

David Hsieh, presidente della divisione di fisica del Caltech e ricercatore non coinvolto nello studio, ha sottolineato le conclusioni innovative dello studio.

"In genere, consideriamo che la struttura a bande di un materiale rientri in una delle numerose classi topologiche distinte, ciascuna legata a un tipo specifico di stato limite", ha affermato Hsieh. "Questo lavoro mostra che alcuni materiali possono rientrare contemporaneamente in due classi. La cosa più interessante è che gli stati al contorno che emergono da queste due topologie possono interagire e ricostruirsi in un nuovo stato quantistico che è più di una semplice sovrapposizione delle sue parti."

I ricercatori hanno ulteriormente comprovato le misurazioni della microscopia a effetto tunnel con una spettroscopia sistematica di fotoemissione ad alta risoluzione con risoluzione angolare.

"Il campione grigio As è molto pulito e abbiamo trovato chiare tracce di uno stato superficiale topologico", ha detto Zi-Jia Cheng, uno studente laureato del gruppo Hasan e co-primo autore dell'articolo che ha eseguito alcune delle misurazioni della fotoemissione. .

La combinazione di molteplici tecniche sperimentali ha consentito ai ricercatori di sondare l'esclusiva corrispondenza massa-superficie-bordo associata allo stato topologico ibrido e di corroborare i risultati sperimentali.

Implicazioni dei risultati

L’impatto di questa scoperta è duplice. L'osservazione della modalità limite topologica combinata e dello stato superficiale apre la strada alla progettazione di nuovi canali di trasporto degli elettroni topologici. Ciò potrebbe consentire la progettazione di nuovi dispositivi di scienza dell'informazione quantistica o di calcolo quantistico.

I ricercatori di Princeton hanno dimostrato che le modalità del bordo topologico sono presenti solo lungo specifiche configurazioni geometriche compatibili con le simmetrie del cristallo, illuminando un percorso per progettare varie forme di futuri nanodispositivi ed elettronica basata sullo spin.

Da una prospettiva più ampia, la società trae vantaggio dalla scoperta di nuovi materiali e proprietà, ha affermato Hasan. Nei materiali quantistici, l'identificazione dei solidi elementari come piattaforme materiali, come l'antimonio che ospita una topologia forte o il bismuto che ospita una topologia di ordine superiore, ha portato allo sviluppo di nuovi materiali che hanno apportato enormi benefici al campo dei materiali topologici.

"Prevediamo che l'arsenico, con la sua topologia unica, possa fungere da nuova piattaforma a un livello simile per lo sviluppo di nuovi materiali topologici e dispositivi quantistici che non sono attualmente accessibili attraverso le piattaforme esistenti", ha affermato Hasan.

Da oltre 15 anni il gruppo di Princeton progetta e realizza nuovi esperimenti per l'esplorazione di materiali isolanti topologici. Tra il 2005 e il 2007, ad esempio, il team guidato da Hasan ha scoperto l'ordine topologico in un solido tridimensionale di bismuto-antimonio, una lega semiconduttrice e relativi materiali topologici Dirac utilizzando nuovi metodi sperimentali.

Ciò ha portato alla scoperta di materiali magnetici topologici. Tra il 2014 e il 2015 hanno scoperto e sviluppato una nuova classe di materiali topologici chiamati semimetalli magnetici di Weyl.

I ricercatori ritengono che questa scoperta aprirà la porta a tutta una serie di future possibilità di ricerca e applicazioni nelle tecnologie quantistiche, in particolare nelle cosiddette tecnologie "verdi".

"La nostra ricerca rappresenta un passo avanti nel dimostrare il potenziale dei materiali topologici per l'elettronica quantistica con applicazioni di risparmio energetico", ha affermato Hasan.