(Phys.org)—In blocco, gli isolanti topologici (TI) sono buoni isolanti, ma sulla loro superficie agiscono come metalli, con una torsione:lo spin e la direzione degli elettroni che si muovono attraverso la superficie di un TI sono bloccati insieme. I TI offrono opportunità uniche per controllare le correnti elettriche e il magnetismo, e una nuova ricerca di un team di scienziati provenienti da Cina e Stati Uniti, lavorando con Alexei Fedorov del Berkeley Lab alla beamline 12.0 presso l'Advanced Light Source, indica modi per manipolare i loro stati superficiali.

Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, condivide una proprietà intrigante con i TI. In entrambe, le loro strutture a bande - le energie alle quali gli elettroni scorrono liberamente in una banda di conduzione o sono legati agli atomi in una banda di valenza - sono abbastanza diverse dalle bande sovrapposte dei metalli, le bande di isolanti ampiamente separate, o lo stretto gap energetico di un semiconduttore tra le bande. Nel grafene e nei TI, le bande di conduzione e di valenza formano coni che si incontrano in un punto, il punto Dirac.

Qui finisce la loro somiglianza. I coni perfetti del grafene danno solo una visione approssimativa della reale struttura a bande:una deviazione dalle linee perfettamente rette si manifesta quando sono incluse tutte le possibili interazioni degli elettroni nel loro percorso attraverso il reticolo dell'atomo di carbonio - un processo chiamato "rinormalizzazione". Rinormalizzando gli stati elettronici vicino al punto di Dirac (in altre parole, disegnare le punte dei coni) richiede la comprensione del comportamento collettivo di numerosi elettroni e lacune caricate positivamente (assenze di elettroni, dette anche quasiparticelle).

La rinormalizzazione è stata osservata nel grafene, ma non nelle TI - fino ad ora, e per farlo c'è voluto un trucco. I ricercatori hanno studiato diversi composti TI utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) alla linea di luce 12.0, che ha la capacità unica di visualizzare direttamente le strutture delle bande elettroniche. Hanno preso gli spettri di due promettenti isolanti topologici, tellururo di bismuto e seleniuro di bismuto.

I TI hanno due serie di strutture a bande, echeggiando la differenza tra le loro proprietà di volume e superficie, e quando ARPES ha visualizzato i composti del campione "nudi, " le bande di massa oscuravano i coni superficiali e i punti di Dirac. Ma dopo aver stratificato pellicole di puro bismuto, che è anche un TI, sui composti, le fastidiose bande alla rinfusa svanirono.

In un composto a strati, bismuto su tellururo di bismuto, ARPES ha rivelato drammaticamente il punto di Dirac, in effetti due di loro. Sono apparse due serie di linee convergenti, uno si incontra all'apice della banda di valenza superficiale del tellururo di bismuto e l'altro a un'energia più elevata. Una luminosa linea verticale collegava le punte dei due coni.

Se i coni fossero davvero separati, le particelle cariche tra loro avrebbero velocità infinita. Ma dopo l'analisi, i ricercatori hanno determinato che lo spettro ARPES era un ibrido, e che la linea verticale rivelatrice ha avuto origine da interazioni di molti corpi che erano il segno della rinormalizzazione che bloccava l'infinito che stavano cercando.

Ciò che rende le interazioni a molti corpi difficili da rilevare nelle TI è che, a differenza del grafene, le loro strutture a banda superficiale sono polarizzate in spin, o "elicoidale". Ibridando due TI particolarmente ben abbinati e distorcendo i loro coni Dirac, la rinormalizzazione nascosta è stata trovata – in almeno una struttura TI.