I ricercatori hanno creato nanonastri di una classe emergente di materiali chiamati isolanti topologici e hanno utilizzato un campo magnetico per controllare le proprietà dei semiconduttori, un passo avanti verso lo sfruttamento della tecnologia per studiare la fisica esotica e costruire nuovi dispositivi spintronici o computer quantistici.

A differenza dei materiali ordinari che sono isolanti o conduttori, gli isolanti topologici sono paradossalmente entrambi allo stesso tempo - sono isolanti all'interno ma conducono elettricità sulla superficie, disse Yong P. Chen, un professore associato di fisica e astronomia della Purdue University e ingegneria elettrica e informatica che ha lavorato con il dottorando Luis A. Jauregui e altri ricercatori.

I materiali potrebbero essere utilizzati per dispositivi "spintronici" e pratici computer quantistici molto più potenti delle tecnologie odierne. Nelle nuove scoperte, i ricercatori hanno utilizzato un campo magnetico per indurre una cosiddetta "modalità elicoidale" di elettroni, una capacità che potrebbe consentire di controllare lo stato di spin degli elettroni.

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso nella pubblicazione online anticipata della rivista Nanotecnologia della natura il 18 gennaio e ha mostrato che un campo magnetico può essere utilizzato per indurre i nanonastri a subire una "transizione topologica, " passaggio tra un materiale che possiede una banda proibita sulla superficie e uno che non lo fa.

"Il silicio è un semiconduttore, il che significa che ha una banda proibita, un tratto necessario per accendere e spegnere la conduzione, la base per i transistor digitali a base di silicio per memorizzare ed elaborare informazioni in codice binario, " Chen ha detto. "Il rame è un metallo, il che significa che non ha band gap ed è sempre un buon conduttore. In entrambi i casi la presenza o meno di un band gap è una proprietà fissa. La cosa strana della superficie di questi materiali è che puoi controllare se ha una banda proibita o meno semplicemente applicando un campo magnetico, quindi è un po' sintonizzabile, e questa transizione è periodica nel campo magnetico, così puoi guidarlo attraverso molti stati "gap" e "gapless".

I nanonastri sono fatti di tellururo di bismuto, il materiale alla base delle tecnologie di raffreddamento a stato solido come i frigoriferi termoelettrici commerciali.

"Il tellururo di bismuto è stato per decenni il materiale di punta del raffreddamento termoelettrico, ma solo negli ultimi anni le persone hanno scoperto che questo materiale e i materiali correlati hanno questa straordinaria proprietà aggiuntiva di essere isolanti topologici, " Egli ha detto.

Il documento è stato scritto da Jauregui; Michael T. Pettes, un ex ricercatore post-dottorato presso l'Università del Texas ad Austin e ora assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università del Connecticut; Leonid P. Rokhinson, un professore di fisica e astronomia alla Purdue e ingegneria elettrica e informatica; Li Shi, BF Goodrich Endowed Professor in Ingegneria dei Materiali presso l'Università del Texas ad Austin; e Chen

Una scoperta chiave è stata che i ricercatori hanno documentato l'uso di nanonastri per misurare le cosiddette oscillazioni di Aharonov-Bohm, ciò è possibile conducendo elettroni in direzioni opposte in percorsi ad anello attorno ai nanonastri. La struttura del nanonastro - un nanofilo che è topologicamente uguale a un cilindro - è la chiave della scoperta perché consente lo studio degli elettroni mentre viaggiano in direzione circolare attorno al nastro. Gli elettroni conducono solo sulla superficie dei nanofili, tracciare una circolazione cilindrica.

"Se lasci che gli elettroni viaggino in due percorsi attorno a un anello, nei percorsi sinistro e destro, e si incontrano all'altra estremità dell'anello, quindi interferiranno in modo costruttivo o distruttivo a seconda della differenza di fase creata da un campo magnetico, con conseguente alta o bassa conduttività, rispettivamente, mostrando la natura quantistica degli elettroni che si comportano come onde, " disse Jauregui.

I ricercatori hanno dimostrato una nuova variazione su questa oscillazione nelle superfici dell'isolante topologico inducendo la modalità elicoidale di spin degli elettroni. Il risultato è la capacità di passare dall'interferenza costruttiva a quella distruttiva e viceversa.

"Questo fornisce prove molto definitive che stiamo misurando gli elettroni dell'elica di spin, " Ha detto Jauregui. "Stiamo misurando questi stati di superficie topologici. Questo effetto non è stato visto in modo molto convincente fino a poco tempo fa, quindi ora questo esperimento fornisce davvero una chiara prova che stiamo parlando di questi elettroni a spin elicoidale che si propagano sul cilindro, quindi questo è un aspetto di questa oscillazione."

I risultati hanno anche mostrato questa oscillazione in funzione della "tensione di gate, " rappresenta un altro modo per cambiare la conduzione da alta a bassa.

"L'interruttore si verifica ogni volta che la circonferenza del nanonastro contiene solo un numero intero della lunghezza d'onda della meccanica quantistica, o 'fermi d'onda, ' che è sintonizzato dalla tensione di gate degli elettroni che avvolgono la superficie, " disse Chen.

È stata la prima volta che i ricercatori hanno visto questo tipo di oscillazione dipendente dal gate nei nanonastri e la correla ulteriormente con la struttura topologica della banda isolante del tellururo di bismuto.

Si dice che i nanonastri possiedano "protezione topologica, " impedendo la retrodiffusione degli elettroni sulla superficie e consentendo un'elevata conduttività, una qualità che non si trova nei metalli e nei semiconduttori convenzionali. Sono stati fabbricati dai ricercatori dell'UT Austin.

Le misurazioni sono state eseguite mentre i nanonastri sono stati raffreddati a circa meno 273 gradi Celsius (quasi meno meno 460 gradi Fahrenheit).

"Dobbiamo operare a basse temperature per osservare la natura quantomeccanica degli elettroni, " disse Chen.

La ricerca futura includerà il lavoro per studiare ulteriormente i nanofili come piattaforma per studiare la fisica esotica necessaria per i calcoli quantistici topologici. I ricercatori mireranno a collegare i nanofili con i superconduttori, che conducono elettricità senza resistenza, per dispositivi ibridi isolanti-superconduttori topologici. Combinando ulteriormente gli isolanti topologici con un superconduttore, i ricercatori potrebbero essere in grado di costruire un pratico computer quantistico meno suscettibile alle impurità e alle perturbazioni ambientali che finora hanno presentato sfide. Una tale tecnologia effettuerebbe calcoli utilizzando le leggi della meccanica quantistica, rendendo i computer molto più veloci dei computer convenzionali in determinate attività come le ricerche nel database e la violazione del codice.