I fisici teorici dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno utilizzato simulazioni al computer per mostrare come speciali impulsi di luce potrebbero creare canali robusti in cui l'elettricità scorre senza resistenza in un semiconduttore atomicamente sottile.

Se questo approccio è confermato da esperimenti, potrebbe aprire le porte a un nuovo modo di creare e controllare questa proprietà desiderabile in una gamma di materiali più ampia di quanto sia possibile oggi.

Il risultato è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Nell'ultimo decennio, capire come creare questo tipo esotico di materiale - noto come "topologicamente protetto" perché i suoi stati superficiali sono impermeabili a distorsioni minori - è stato un argomento di ricerca caldo nella scienza dei materiali. Gli esempi più noti sono gli isolanti topologici, che conducono elettricità senza resistenza in canali confinati lungo i loro bordi o superfici, ma non attraverso i loro interni.

I ricercatori dello SLAC e della Stanford University sono stati in prima linea nella scoperta di tali materiali e nello studio delle loro proprietà, che potrebbero avere future applicazioni in circuiti e dispositivi microelettronici. Il premio Nobel per la fisica di quest'anno è stato assegnato a tre scienziati che per primi hanno suggerito la possibilità di proprietà dei materiali topologicamente protette.

Precedenti studi teorici avevano esaminato come la luce potesse indurre fenomeni topologicamente protetti nel grafene, un foglio di puro carbonio dello spessore di un solo atomo. Sfortunatamente, ci vorrebbe un'energia luminosa e un'intensità impraticabili per indurre quell'effetto nel grafene. In questo studio, I ricercatori SLAC si sono concentrati sul disolfuro di tungsteno e sui composti correlati, che formano fogli dello spessore di una sola molecola e sono intrinsecamente semiconduttori.

I ricercatori hanno simulato esperimenti in cui impulsi di luce polarizzata circolarmente, nella gamma di lunghezze d'onda dal rosso al vicino infrarosso, colpire un singolo strato di disolfuro di tungsteno. I risultati hanno mostrato che durante il tempo in cui il materiale è stato illuminato, i suoi elettroni si sono organizzati in modo fondamentalmente diverso dal grafene, creando nuovi percorsi senza alcuna resistenza elettrica lungo i bordi del campione.

Per tenere conto delle fluttuanti interazioni tra onde luminose ed elettroni, i ricercatori hanno impiegato un quadro di riferimento periodicamente variabile nel tempo che aveva radici risalenti al 1880 e al matematico francese Gaston Floquet. L'approccio ha mostrato chiaramente che la luce a bassa energia, a cui il materiale sembrerebbe trasparente, creerebbe topologicamente protetto, percorsi del bordo senza resistenza nel monostrato di disolfuro di tungsteno.

Inoltre, la simulazione ha mostrato che il riscaldamento indesiderato del materiale che interromperebbe i percorsi potrebbe essere evitato sintonizzando l'energia luminosa in modo che sia leggermente inferiore all'energia "risonante" più efficiente.

"Siamo i primi a connettere modelli di materiali basati su principi primi con stati topologicamente protetti indotti dalla luce, mitigando al contempo il riscaldamento del materiale in eccesso, " disse Martin Claassen, uno studente laureato di Stanford che lavora allo SLAC e autore principale del documento tecnico.

I ricercatori stanno discutendo con altri gruppi di ricerca che potrebbero portare a esperimenti che mettano alla prova le loro previsioni teoriche in materiali reali.