Proprio come un libro non si giudica dalla copertina, così non sempre un materiale si giudica dalla superficie. Ma, per una classe di materiali sfuggente e ipotizzata, i fisici hanno ora dimostrato che la superficie precedentemente ritenuta "informe" contiene una firma inconfondibile che potrebbe portare alla prima osservazione definitiva.
Gli isolanti topologici di ordine superiore, o HOTI, hanno attirato l'attenzione per la loro capacità di condurre elettricità lungo linee unidimensionali sulle loro superfici, ma questa proprietà è abbastanza difficile da distinguere sperimentalmente da altri effetti. Studiando invece l'interno di questi materiali da una prospettiva diversa, un team di fisici ha identificato una firma superficiale unica per gli HOTI che può determinare il modo in cui la luce si riflette dalle loro superfici.
Come riporta il team sulla rivista Nature Communications, questa proprietà potrebbe essere utilizzata per confermare sperimentalmente l'esistenza di tali stati topologici nei materiali reali.
"Le proprietà interne o di massa degli HOTI e di altri isolanti topologici sono state ignorate per molto tempo, ma si scopre che anche lì stanno accadendo molte cose interessanti", ha affermato Barry Bradlyn, professore di fisica presso l'Università dell'Illinois. Urbana-Champaign e un co-responsabile del progetto. "Quando abbiamo guardato le superfici attraverso una lente più attenta, si sono immediatamente rivelate tutt'altro che banali o prive di caratteristiche."
Per molto tempo, gli isolanti topologici sono stati notati per la loro capacità di trasportare correnti elettriche sulle loro superfici pur avendo interni isolanti. Gli HOTI, tuttavia, limiterebbero la conduzione elettrica a un bordo unidimensionale, o "cerniera", anziché all'intera superficie bidimensionale.
"Charles Kane, che ha scoperto gli isolanti topologici, ha introdotto una buona analogia", ha affermato Benjamin Wieder, membro della facoltà dell'Institut de Physique Théorique, Université Paris-Saclay e co-responsabile del progetto. "Possiamo pensare agli isolanti topologici standard come ai Baci di Hershey. Una lamina metallica conduttrice avvolta attorno a un isolante che non conduce elettricità, il cioccolato in questo caso, è un buon modo per capirli. Con gli HOTI, però, è come se qualcuno prese la pellicola e la accartocciò formando un anello sottile che circondava il cioccolato."
Sebbene negli isolanti topologici standard siano stati osservati stati di conduzione superficiale, la risoluzione della cerniera negli HOTI si è rivelata eccezionalmente difficile. Bradlyn ha spiegato che questa proprietà può esistere solo in campioni di materiale che hanno un grado di simmetria insolitamente elevato, il che significa che le loro strutture cristalline devono essere irrealisticamente perfette.
Bradlyn e i suoi collaboratori hanno invece rivolto la loro attenzione dallo stato cerniera all’interno, dove gli elettroni tendono a “delocalizzarsi” dai singoli atomi e a diffondersi nell’intero materiale. A differenza degli studi precedenti che trattavano tutti gli elettroni allo stesso modo, i ricercatori hanno considerato le differenze nello spin, una proprietà degli elettroni che consente loro di comportarsi come magneti in miniatura.
"Quando abbiamo diviso gli elettroni interni nei loro due possibili stati di spin, su e giù, abbiamo visto che ogni stato lascia una firma superficiale unica", ha detto Kuan-Sen Lin, uno studente laureato in fisica presso l'Università di I. e autore dello studio. autore principale. "Anche se la superficie di un HOTI sembra poco interessante, quando si guarda cosa fa ogni giro separatamente sulla superficie, emerge un nuovo comportamento inconfondibile che speriamo venga presto misurato in un esperimento."
Poiché gli elettroni con spin diversi si comportano come magneti, rispondono in modo diverso quando al materiale viene applicata una tensione elettrica, provocando l’accumulo dei due stati di spin su lati opposti. Questo accumulo può essere rilevato sfruttando l’effetto Kerr magneto-ottico, in cui la polarizzazione, o orientamento della luce, cambia quando viene riflessa dalla superficie di un magnete. Nel caso degli HOTI, i ricercatori hanno calcolato la variazione di polarizzazione da ciascuno stato di spin e hanno scoperto che era esattamente la metà della variazione che risulterebbe da un normale isolante.
"Nell'analogia del bacio, potremmo aspettarci che, poiché il foglio di alluminio è stato accartocciato, il cioccolato è in contatto diretto con l'aria", ha detto Gregory Fiete, professore di fisica alla Northeastern University e autore corrispondente dello studio. "Con i comportamenti superficiali dipendenti dallo spin che abbiamo riscontrato, possiamo dire che in realtà esiste uno strato trasparente che mantiene il cioccolato separato dal resto del supermercato."
Basandosi sui calcoli dei principi primi con il kit di strumenti teorici specializzati che i ricercatori hanno sviluppato per questo studio, hanno identificato il bromuro di bismuto metallico come un candidato molto forte per osservare questo effetto. Attualmente stanno lavorando con il professore di fisica dell'Università di I. Fahad Mahmood e il professore di scienza dei materiali e ingegneria dell'Università di I. Daniel Shoemaker per progettare ed eseguire gli esperimenti proposti in questo studio.
"Le proprietà degli HOTI che abbiamo identificato qui sarebbero molto utili nell'informatica quantistica e nei dispositivi spintronici, ma dobbiamo prima vederle negli esperimenti", ha detto Bradlyn. Wieder ha aggiunto:"Ci auguriamo che il nostro lavoro mostri che le parti interne e le superfici dei materiali topologici ospitano ancora molte caratteristiche misteriose e vantaggiose se si sa come cercarle."
I primi calcoli sui principi del bromuro di bismuto furono eseguiti da Zhaopeng Guo e Zhijun Wang dell'Accademia cinese delle scienze. Ulteriore supporto computazionale è stato fornito da Jeremey Blackburn della Binghamton University. A questo lavoro hanno contribuito anche Giandomenico Palumbo del Dublin Institute for Advanced Studies e Yoonseok Hwang dell'U. of I..
Ulteriori informazioni: Kuan-Sen Lin et al, Topologia risolta in spin e angoli di assione parziale in isolanti tridimensionali, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44762-w
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering
