Un'immagine al microscopio elettronico a scansione mostra campioni triangolari (rosso) e rettangolari (blu) di un cristallo semimetallico noto come arseniuro di cadmio. Il campione rettangolare ha uno spessore di circa 0,8 micron (millesimi di millimetro), 3,2 micron di altezza e 5 micron di lunghezza. Il campione triangolare ha una base che misura circa 2,7 micron. Il disegno dei campioni triangolari, fabbricato presso la fonderia molecolare di Berkeley Lab, si è rivelato utile nel tracciare le strane orbite degli elettroni esibite da questo materiale quando esposto a un campo magnetico. La barra della scala rossa in basso a destra è di 50 micron. Credito: Natura , 10.1038/natura18276
I ricercatori hanno creato un'esotica pista 3D per gli elettroni in fette ultrasottili di un nanomateriale fabbricato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia.
Il team internazionale di scienziati del Berkeley Lab, UC Berkeley, e la Germania hanno osservato, per la prima volta, un comportamento unico in cui gli elettroni ruotano attorno a una superficie, quindi attraverso la maggior parte del materiale fino alla sua superficie opposta e viceversa.
La possibilità di sviluppare la cosiddetta "materia topologica" in grado di trasportare corrente elettrica sulla sua superficie senza perdite a temperatura ambiente ha suscitato un notevole interesse nella comunità della ricerca. L'obiettivo finale è avvicinarsi alla conduzione senza perdite di un'altra classe di materiali, noti come superconduttori, ma senza bisogno dell'estremo, temperature di congelamento richieste dai superconduttori.
"I microchip perdono così tanta energia attraverso la dissipazione del calore che è un fattore limitante, "ha detto James Analytis, uno scienziato dello staff del Berkeley Lab e assistente professore di fisica all'UC Berkeley che ha guidato lo studio, pubblicato in Natura . "Più piccoli diventano, più si scaldano".
Il materiale studiato, un semimetallo inorganico chiamato arseniuro di cadmio (Cd3As2), esibisce proprietà quantistiche, che non sono spiegate dalle leggi classiche della fisica, che offrono un nuovo approccio alla riduzione dell'energia dispersa nei microchip. Nel 2014, scienziati hanno scoperto che l'arseniuro di cadmio condivide alcune proprietà elettroniche con il grafene, un materiale dello spessore di un atomo anche per componenti di computer di prossima generazione, ma in una forma 3-D.
"La cosa eccitante di questi fenomeni è che, in teoria, non risentono della temperatura, e il fatto che esistano in tre dimensioni rende forse più facile la fabbricazione di nuovi dispositivi, " ha detto Analita.
I campioni di arseniuro di cadmio hanno mostrato una proprietà quantistica nota come "chiralità" che accoppia la proprietà fondamentale dello spin di un elettrone al suo momento, essenzialmente dandogli tratti mancini o destrimani. L'esperimento ha fornito un primo passo verso l'obiettivo di utilizzare la chiralità per trasportare carica ed energia attraverso un materiale senza perdita.
Nell'esperimento, i ricercatori hanno prodotto e studiato come la corrente elettrica viaggia in fette di un cristallo di cadmio e arsenico di soli 150 nanometri di spessore, o circa 600 volte più piccolo della larghezza di un capello umano, quando sottoposto a un campo magnetico elevato.
Un singolo cristallo di arseniuro di cadmio. Cristalli singoli di questo materiale, noto come “semimetallo di Dirac, ” sono stati tagliati per formare fette su scala nanometrica. Le fette, quando esposto a un campo magnetico, ha mostrato uno strano percorso circolare dell'elettrone. Il materiale potrebbe aiutare gli scienziati a svelare i segreti di una classe di materiali che potrebbero essere utilizzati nell'elettronica di prossima generazione. Credito: Natura , 10.1038/natura18276
I campioni di cristallo sono stati realizzati presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab, che si concentra sulla costruzione e lo studio di materiali su scala nanometrica, e la loro struttura 3D è stata dettagliata utilizzando i raggi X presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab.
Rimangono molti misteri sulle proprietà esotiche del materiale studiato, e come passo successivo i ricercatori stanno cercando altre tecniche di fabbricazione per costruire un materiale simile con proprietà magnetiche incorporate, quindi non è richiesto alcun campo magnetico esterno.
"Questo non è il materiale giusto per un'applicazione, ma ci dice che siamo sulla strada giusta, " ha detto Analita.
Se i ricercatori hanno successo nelle loro modifiche, un tale materiale potrebbe essere utilizzato per costruire interconnessioni tra più chip di computer, Per esempio, per i computer di nuova generazione che si basano sullo spin di un elettrone per elaborare i dati (noto come "spintronica"), e per la costruzione di dispositivi termoelettrici che convertono il calore di scarto in corrente elettrica.
All'inizio non era chiaro se il team di ricerca sarebbe stato in grado di produrre un campione sufficientemente puro su piccola scala necessaria per eseguire l'esperimento, ha detto Analytis.
"Volevamo misurare gli stati superficiali degli elettroni nel materiale. Ma questo materiale 3-D conduce anche elettricità nella massa, è la regione centrale, così come in superficie, " ha detto. Di conseguenza, quando si misura la corrente elettrica, il segnale è sommerso da ciò che sta accadendo in massa, quindi non si vede mai il contributo superficiale."
Quindi hanno ridotto il campione da milionesimi di metro alla scala nanometrica per dare loro più superficie e garantire che il segnale di superficie fosse quello dominante in un esperimento.
"Abbiamo deciso di farlo modellando i campioni in strutture più piccole utilizzando un raggio focalizzato di particelle cariche, " ha detto. "Ma questo raggio ionico è noto per essere un modo approssimativo di trattare il materiale:è tipicamente intrinsecamente dannoso per le superfici, e pensavamo che non avrebbe mai funzionato".
Questa immagine, prodotto da un microscopio elettronico a scansione, mostra tre fogli di un materiale cristallino chiamato arseniuro di cadmio. I fogli rettangolari finemente lucidati (viola) sono stati tagliati dallo stesso cristallo in spessori variabili. Misurano circa 4 micron (millesimi di millimetro) di altezza per 10 micron di larghezza. Credito: Natura , 10.1038/natura18276
Ma Philip J.W. mollo, ora al Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Germania, trovato un modo per ridurre al minimo questo danno e fornire superfici finemente levigate nelle piccole fette utilizzando strumenti presso la fonderia molecolare. "Tagliare qualcosa e allo stesso tempo non danneggiarlo sono opposti naturali. Il nostro team ha dovuto spingere la fabbricazione del raggio ionico ai suoi limiti di bassa energia e messa a fuoco stretta del raggio per renderlo possibile".
Quando i ricercatori hanno applicato una corrente elettrica ai campioni, hanno scoperto che gli elettroni corrono in circolo in modo simile a come orbitano attorno al nucleo di un atomo, ma il loro percorso passa attraverso sia la superficie che la massa del materiale.
Il campo magnetico applicato spinge gli elettroni intorno alla superficie. Quando raggiungono la stessa energia e quantità di moto degli elettroni bulk, vengono trascinati dalla chiralità della massa e spinti verso l'altra superficie, ripetendo questo percorso stranamente tortuoso finché non vengono dispersi da difetti materiali.
L'esperimento rappresenta un riuscito connubio di approcci teorici con i giusti materiali e tecniche, ha detto Analytis.
"Questo era stato teorizzato da Andrew Potter sulla nostra squadra e dai suoi collaboratori, e il nostro esperimento segna la prima volta che è stato osservato, " Analytis ha detto. "È molto insolito:non ci sono fenomeni analoghi in nessun altro sistema. Le due superfici del materiale 'parlano' tra loro su grandi distanze a causa della loro natura chirale."
"Avevamo previsto questo comportamento come un modo per misurare le proprietà insolite previste in questi materiali, ed è stato molto emozionante vedere queste idee prendere vita in sistemi sperimentali reali, " disse Potter, un assistente professore di fisica presso l'Università del Texas ad Austin. "Philip e i suoi collaboratori hanno fatto delle grandi innovazioni per produrre campioni estremamente sottili e di alta qualità, che ha davvero reso possibili queste osservazioni per la prima volta."
I ricercatori hanno anche appreso che il disordine nella configurazione della superficie cristallina del materiale non sembra influenzare il comportamento degli elettroni lì, sebbene il disordine nel materiale centrale abbia un impatto sul fatto che gli elettroni si muovano attraverso il materiale da una superficie all'altra.
Il moto degli elettroni mostra una doppia manualità, con alcuni elettroni che viaggiano intorno al materiale in una direzione e altri che girano in una direzione opposta.
I ricercatori stanno ora basandosi su questo lavoro nella progettazione di nuovi materiali per studi in corso, ha detto Analytis. "Stiamo utilizzando tecniche normalmente limitate all'industria dei semiconduttori per realizzare prototipi di dispositivi da materiali quantistici".
