Gli isolanti topologici sono materiali che possono condurre elettricità, ma solo sulla loro superficie o sui bordi. Al loro interno non scorre corrente. Sono oggetto di un'intensa ricerca in tutto il mondo perché hanno proprietà elettroniche uniche che potrebbero migliorare l'efficienza dei computer quantistici, ad esempio, ed essere utilizzati per altre tecnologie come la crittografia e la trasmissione sicura dei dati.

I ricercatori dell’Istituto per gli isolanti topologici e dell’Istituto di fisica teorica e astronomia della Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) presentano ora un insolito effetto Hall quantistico che è stato osservato su un dispositivo microscopico costituito dal materiale isolante topologico tellururo di mercurio (HgTe). . I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Advanced Science .

Chiara osservazione sperimentale

Nel dispositivo al tellururo di mercurio, gli elettroni sulle superfici superiore e inferiore si comportano come particelle di Dirac relativistiche. Come previsto, ma non verificato sperimentalmente dalla fisica delle particelle, le particelle di Dirac dovrebbero essere soggette alla cosiddetta anomalia di parità. Negli esperimenti sullo stato solido, l'anomalia di parità porta a un effetto chiamato asimmetria spettrale, che può essere misurata come un cambiamento insolito nella resistenza elettrica.

"L'anomalia di parità è stata prevista nei materiali a stato solido fin dagli anni '80. Una famosa proposta teorica è il modello proposto da Haldane (Premio Nobel per la fisica nel 2016). Abbiamo identificato un'altra conseguenza dell'anomalia di parità che è la prima uno da verificare sperimentalmente", afferma la professoressa Ewelina Hankiewicz.

L'effetto non è specifico solo del tellururo di mercurio

I fisici della JMU hanno realizzato questa fisica di Dirac bidimensionale su un'unica superficie dell'isolante topologico tridimensionale. "Osserviamo un effetto Hall quantistico rientrante non convenzionale che può essere direttamente correlato al verificarsi di asimmetria spettrale in un singolo stato superficiale topologico. L'effetto è generico per qualsiasi isolante topologico, non specifico solo per il tellururo di mercurio. L'universalità del risultato è ciò che lo rende così emozionante", afferma il Dr. Wouter Beugeling.

Per realizzare queste nuove scoperte è stato necessario superare due sfide. Innanzitutto, è stato necessario identificare la firma dell'asimmetria spettrale tra le altre caratteristiche della resistenza elettrica misurata. In secondo luogo, il dispositivo doveva essere controllato in modo tale che gli effetti delle due superfici non si annullassero a vicenda.

L'alto livello di controllo consente ulteriori esplorazioni

"Questa osservazione mostra che l'elevato livello di controllo che abbiamo in questo dispositivo ci consente di esplorare molti più aspetti interessanti della fisica degli isolanti topologici rispetto a prima", afferma il professor Laurens Molenkamp.

Un fattore chiave per ottenere la precisione sperimentale richiesta per questa osservazione è stata l’alta qualità del materiale HgTe, che è stato prodotto nell’impianto di epitassia a fascio molecolare presso l’Istituto di fisica di Würzburg. L'epitassia a fascio molecolare (MBE) è una tecnica per produrre strati di materiale sottilissimi con proprietà elettroniche, ottiche e magnetiche personalizzate. Con MBE, le strutture a strati possono essere costruite con precisione strato di atomo per strato di atomo.