Una nuova tecnica consente di ottenere un'impronta digitale individuale degli stati del bordo che trasportano corrente che si verificano in nuovi materiali come isolanti topologici o materiali 2-D. I fisici dell'Università di Basilea presentano il nuovo metodo insieme a scienziati americani in Comunicazioni sulla natura .

Mentre gli isolanti non conducono correnti elettriche, alcuni materiali speciali presentano proprietà elettriche peculiari. Sebbene non conducano attraverso la loro mole, le loro superfici e bordi possono supportare correnti elettriche a causa di effetti meccanici quantistici, e farlo anche senza causare perdite. Tali isolanti topologici hanno suscitato grande interesse negli ultimi anni per le loro notevoli proprietà. In particolare, i loro robusti stati limite sono molto promettenti poiché potrebbero portare a grandi progressi tecnologici.

Effetti simili agli stati limite di tali isolanti topologici si verificano anche quando un metallo bidimensionale è esposto a un forte campo magnetico a basse temperature. Quando si realizza il cosiddetto effetto Hall quantistico, si pensa che la corrente scorra solo ai bordi, dove si formano diversi canali conduttori.

Rilevamento dei singoli stati del bordo

Fino ad ora, non è stato possibile affrontare individualmente i numerosi stati portatori di corrente o determinare le loro posizioni separatamente. La nuova tecnica consente ora di ottenere un'esatta impronta digitale degli stati del bordo che trasportano corrente con una risoluzione nanometrica. Lo riferiscono i ricercatori del Dipartimento di Fisica e dello Swiss Nanoscience Institute dell'Università di Basilea in collaborazione con i colleghi dell'Università della California, Los Angeles, così come di Harvard e Princeton University, STATI UNITI D'AMERICA.

Per misurare l'impronta digitale degli stati del bordo conduttivo, i fisici guidati dal Prof. Dominik Zumbühl hanno ulteriormente sviluppato una tecnica basata sulla spettroscopia tunnel. Hanno utilizzato un nanofilo di arseniuro di gallio situato sul bordo del campione che corre in parallelo agli stati del bordo in esame. In questa configurazione, gli elettroni possono saltare (tunnel) avanti e indietro tra uno stato limite specifico e il nanofilo finché le energie in entrambi i sistemi coincidono. Utilizzando un campo magnetico aggiuntivo, gli scienziati controllano la quantità di moto degli elettroni tunnel e possono affrontare i singoli stati limite. Dalle correnti di tunneling misurate, la posizione e l'evoluzione di ogni stato del bordo possono essere ottenute con precisione nanometrica.

Tracciare l'evoluzione

Questa nuova tecnica è molto versatile e può essere utilizzata anche per studiare sistemi in evoluzione dinamica. All'aumentare del campo magnetico, il numero di stati del bordo è ridotto, e la loro distribuzione è modificata. Per la prima volta, gli scienziati sono stati in grado di osservare l'evoluzione dello stato del bordo completo a partire dalla loro formazione a campi magnetici molto bassi.

Con l'aumento del campo magnetico, gli stati del bordo vengono prima compressi verso il confine del campione fino a quando, alla fine, si spostano verso l'interno del campione e poi scompaiono completamente. I modelli analitici e numerici sviluppati dal gruppo di ricerca concordano molto bene con i dati sperimentali.

"Questa nuova tecnica non è solo molto utile per studiare gli stati del bordo di Hall quantistica, " Dominik Zumbühl commenta i risultati della collaborazione internazionale. "Potrebbe anche essere impiegato per studiare nuovi materiali esotici come isolanti topologici, grafene o altri materiali 2-D."