Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha acquisito le prime immagini a risoluzione atomica e dimostrato il controllo elettrico di uno stato di interfaccia chirale, un fenomeno quantistico esotico che potrebbe aiutare i ricercatori a far avanzare l'informatica quantistica e l'elettronica ad alta efficienza energetica. /P>
Lo stato dell'interfaccia chirale è un canale conduttivo che consente agli elettroni di viaggiare in una sola direzione, impedendo loro di essere dispersi all'indietro e causando una resistenza elettrica con spreco di energia. I ricercatori stanno lavorando per comprendere meglio le proprietà degli stati dell'interfaccia chirale nei materiali reali, ma visualizzare le loro caratteristiche spaziali si è rivelato eccezionalmente difficile.
Ma ora, per la prima volta, le immagini a risoluzione atomica catturate da un gruppo di ricerca del Berkeley Lab e dell’UC Berkeley hanno visualizzato direttamente uno stato di interfaccia chirale. I ricercatori hanno anche dimostrato la creazione su richiesta di questi canali conduttori privi di resistenza in un isolante 2D.
Il loro lavoro, che è stato riportato sulla rivista Nature Physics , fa parte della spinta più ampia del Berkeley Lab per far avanzare l'informatica quantistica e altre applicazioni dei sistemi di informazione quantistica, inclusa la progettazione e la sintesi di materiali quantistici per soddisfare le pressanti esigenze tecnologiche.
"Esperimenti precedenti hanno dimostrato che esistono stati di interfaccia chirali, ma nessuno li ha mai visualizzati con una risoluzione così elevata. Il nostro lavoro mostra per la prima volta come appaiono questi stati 1D su scala atomica, compreso come possiamo alterarli e persino crearli", ha detto il primo autore Canxun Zhang, un ex ricercatore laureato presso la Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley. Ora è un ricercatore post-dottorato presso l'UC Santa Barbara.
Gli stati dell'interfaccia chirale possono verificarsi in alcuni tipi di materiali 2D noti come isolanti di Hall anomali quantistici (QAH) che sono isolanti in massa ma conducono elettroni senza resistenza ai "bordi" unidimensionali:i confini fisici del materiale e le interfacce con altri materiali.
Per preparare gli stati dell'interfaccia chirale, il team ha lavorato presso la Fonderia Molecolare del Berkeley Lab per fabbricare un dispositivo chiamato grafene monostrato-bistrato attorcigliato, che è una pila di due strati atomicamente sottili di grafene ruotati esattamente l'uno rispetto all'altro, creando un superreticolo moiré che mostra la struttura Effetto QAH.
Negli esperimenti successivi presso il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM) per rilevare diversi stati elettronici nel campione, consentendo loro di visualizzare la funzione d'onda dello stato dell'interfaccia chirale. Altri esperimenti hanno dimostrato che lo stato dell'interfaccia chirale può essere spostato attraverso il campione modulando la tensione su un elettrodo di gate posizionato sotto gli strati di grafene.
In una dimostrazione finale del controllo, i ricercatori hanno dimostrato che un impulso di tensione dalla punta di una sonda STM potrebbe “scrivere” uno stato di interfaccia chirale nel campione, cancellarlo e persino riscriverne uno nuovo in cui gli elettroni fluiscono nella direzione opposta.
I risultati potrebbero aiutare i ricercatori a costruire reti sintonizzabili di canali elettronici con la promessa di microelettronica efficiente dal punto di vista energetico e dispositivi di memoria magnetica a bassa potenza in futuro, e per il calcolo quantistico che utilizza i comportamenti esotici degli elettroni negli isolanti QAH.
I ricercatori intendono utilizzare la loro tecnica per studiare la fisica più esotica in materiali correlati, come gli anioni, un nuovo tipo di quasiparticella che potrebbe aprire la strada al calcolo quantistico.
"I nostri risultati forniscono informazioni che prima non erano possibili. C'è ancora molta strada da fare, ma questo è un buon primo passo", ha affermato Zhang.
Ulteriori informazioni: Canxun Zhang et al, Manipolazione degli stati dell'interfaccia chirale in un isolante Hall anomalo quantistico moiré, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02444-w
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dal Lawrence Berkeley National Laboratory
