Una classe di materiali che ha attirato particolare attenzione è quella degli isolanti Hall anomali quantistici. Questi materiali hanno proprietà interessanti che consentono loro di condurre l'elettricità in modi altamente controllati ed efficienti, sfruttando gli effetti della meccanica quantistica e il magnetismo.

I ricercatori dell’Università di Fudan in Cina hanno recentemente cercato di identificare nuovi promettenti isolanti Hall quantistici anomali. Il loro ultimo articolo, pubblicato su Physical Review Letters , delinea le caratteristiche uniche del monostrato V₂ MX₄ , che potrebbe appartenere ad una nuova famiglia di isolanti Hall quantistici anomali.

"Trovare materiali Hall anomali quantistici intrinseci è un obiettivo importante nella ricerca sui materiali topologici", ha detto a Phys.org Jing Wang, coautore dell'articolo. "Dopo aver previsto MnBi₂ Te₄ , un esempio paradigmatico di isolante topologico magnetico che mostra l'effetto Hall anomalo quantistico nello strato dispari, abbiamo pensato di trovare un nuovo isolante Hall anomalo quantistico intrinseco con un ampio divario."

I materiali isolanti Hall anomali quantistici ad ampio gap mostrano un effetto Hall anomalo quantistico con un gap energetico relativamente ampio tra la banda di valenza e quella di conduzione. Questi materiali dovrebbero mostrare una sinergia tra due proprietà apparentemente contrastanti, vale a dire l'accoppiamento spin-orbita e il ferromagnetismo.

"La chiave è radicata negli orbitali d, in cui coesistono sia la topologia che il magnetismo", ha detto Wang. "Nei nostri lavori precedenti, abbiamo inizialmente presentato ATiX, una classe di materiali Hall quantistici anomali caratterizzati dal gruppo spaziale P4/nmm", ha detto Wang. "L'analisi della simmetria in P4/nmm ci ha infine portato a identificare V₂ MX₄ materiali del gruppo spaziale P-42m."

V₂ MX₄ , la nuova famiglia di materiali identificata da Wang e dai suoi collaboratori potrebbe essere sintetizzata utilizzando processi che sono stati ampiamente utilizzati per sintetizzare composti con strutture simili, come Cu₂ MX₄ e Ag₂ MX₄ . Questa nuova famiglia di materiali comprende un totale di 10 materiali con band gap topologici non banali e proprietà simili, sei dei quali hanno teoricamente dimostrato di mostrare stabilità sia dinamica che termodinamica.

"L'abbondanza di candidati sottolinea l'universalità di questa struttura, aumentando le prospettive di sintesi", ha spiegato Wang. "In termini di prestazioni, riteniamo che sia una descrizione adeguata di V₂ MX₄ la famiglia è "semplice ma potente". La semplice regola di Hund fornisce temperature di Curie elevate (che vanno da 200 a 500 K). L'inversione di banda nel punto Gamma produce un ampio band gap topologico non banale (che varia da 100 a 300 meV)."

I calcoli numerici e le simulazioni eseguite da Wang e dai suoi colleghi suggeriscono che V₂ MX₄ i materiali hanno ricche proprietà topologiche. Sono isolanti Hall quantistici anomali nel loro strato dispari, isolanti assionici nel loro strato pari, isolanti topologici antiferromagnetici nel loro stato fondamentale 3D e isolanti Hall quantistici anomali 3D nel loro stato ferromagnetico 3D.

I ricercatori hanno ora iniziato a collaborare con un team di fisici sperimentali per sintetizzare V₂ MX₄ in contesti di laboratorio. Il loro lavoro potrebbe aprire la strada all'identificazione di altri promettenti isolanti Hall anomali quantistici, che potrebbero avere implicazioni interessanti per la ricerca sulla fisica quantistica e lo sviluppo della tecnologia quantistica.

"V₂ MX₄ si distingue come uno dei candidati più competitivi per l'isolante Hall anomalo quantistico ad alta temperatura con grandi lacune", ha aggiunto Wang. "Se realizzato sperimentalmente, potrebbe promuovere notevolmente la ricerca e l'applicazione della fisica quantistica topologica. Un obiettivo importante per la nostra prossima ricerca sarà trovare nuovi materiali isolanti topologici intrinseci e contemporaneamente collaboreremo con gruppi sperimentali per fabbricare V₂ MX₄ ."