Utilizzando sofisticati strumenti teorici, I ricercatori di A*STAR hanno identificato un modo per costruire isolanti topologici, una nuova classe di materiali spin-attivi, a partire da complessi planari a base organica anziché da cristalli inorganici tossici.

L'esclusiva struttura cristallina degli isolanti topologici li rende isolanti ovunque, tranne intorno ai loro bordi. Poiché la conduttività di questi materiali è localizzata in stati di superficie quantizzati, la corrente che passa attraverso gli isolatori topologici acquisisce caratteristiche particolari. Per esempio, può polarizzare gli spin degli elettroni in un unico orientamento, un fenomeno che i ricercatori stanno sfruttando per produrre "accoppiamenti spin-orbita" che generano campi magnetici per la spintronica senza la necessità di magneti esterni.

Molti isolanti topologici sono realizzati esfoliando ripetutamente minerali inorganici, come i tellururi di bismuto o i selenidi di bismuto, con nastro adesivo fino a quando non si appiattisce, vengono visualizzati fogli bidimensionali (2D). "Questo dà proprietà superiori rispetto ai cristalli sfusi, ma l'esfoliazione meccanica ha scarsa riproducibilità, " spiega Shuo-Wang Yang dell'A*STAR Institute of High Performance Computing. "Abbiamo proposto di studiare isolanti topologici basati su complessi di coordinazione organici, perché queste strutture sono più adatte alla sintesi chimica umida tradizionale rispetto ai materiali inorganici".

I complessi di coordinazione sono composti in cui molecole organiche note come ligandi si legano simmetricamente attorno a un atomo di metallo centrale. Yang e il suo team hanno identificato nuovi complessi di ligandi organici "persistenti di forma" come buoni candidati per il loro metodo. Questi composti presentano ligandi costituiti da piccoli, anelli aromatici rigidi. Utilizzando metalli di transizione per collegare questi elementi costitutivi organici in anelli più grandi noti come "macrocicli", i ricercatori possono costruire reticoli 2D estesi che presentano un'elevata mobilità dei portatori di carica.

Individuare reticoli organici 2D con proprietà isolanti topologiche desiderabili è difficile quando si fa affidamento solo su esperimenti. Per affinare questa ricerca, Yang e colleghi hanno utilizzato una combinazione di calcoli quantistici e simulazioni di strutture a bande per schermare l'attività elettronica di vari complessi organici persistenti di forma. Il team ha cercato due fattori chiave nelle loro simulazioni:ligandi in grado di delocalizzare gli elettroni in un piano 2D simile al grafene e un forte accoppiamento spin-orbita tra i nodi centrali del metallo di transizione e i ligandi.

La nuova famiglia dei ricercatori di potenziali isolanti topologici organici ha macrocicli a nido d'ape 2D contenenti anelli tri-fenilici, metalli di palladio o platino, e gruppi di legame amminico. Con caratteristiche quantistiche promettenti e un'elevata stabilità teorica, questi complessi possono fungere da isolanti topologici nelle applicazioni del mondo reale.

"Questi materiali sono facili da fabbricare, e più economici dei loro omologhi inorganici, " dice Yang. "Sono anche adatti per essere assemblati direttamente su superfici di semiconduttori, che rende le applicazioni nanoelettroniche più fattibili."