Il controllo delle interazioni all'interfaccia di un'eterostruttura di isolante magnetico/topologico è una sfida eccezionale con implicazioni nella scienza e nella tecnologia fondamentali. Una ricerca guidata dal gruppo di manipolazione e spettroscopia atomica ICN2 e dal gruppo di fisica e ingegneria di Nanodevices, in collaborazione con il Supramolecular Nanochemistry and Materials Group, il CFM-San Sebastián, Politecnico di Zurigo, ISM-Trieste e ALBA Sincrotrone, ha dimostrato che i ligandi delle molecole metallo-organiche possono essere utilizzati per adattare le proprietà di queste interfacce. I risultati sono presentati in ACS Nano .

Un isolante topologico (TI) è un materiale che si comporta come un isolante al suo interno ma la cui superficie contiene stati conduttori esotici, permettendo quindi agli elettroni di muoversi solo nella superficie del materiale. La proprietà più peculiare di questi elettroni di superficie è che il loro spin è bloccato nella direzione del moto, in modo che possa essere manipolato dalle correnti elettriche.

L'interfacciamento di TI con un materiale magnetico può dar luogo a fenomeni come l'interconversione da spin a carica indotta dalla corrente e l'emergere di correnti di spin prive di dissipazione, che può essere sfruttato in nuovi dispositivi spintronici, metrologia o in applicazioni di informazione quantistica basate sullo spin elettronico. Però, questa unione di TI e materiale magnetico in una cosiddetta eterostruttura è un processo complesso che spesso impedisce il controllo dei fenomeni speciali descritti in precedenza. In particolare, quando il TI è interfacciato direttamente con ferromagneti metallici, la forte interazione tra i due materiali porta ad effetti indesiderati come la perdita delle proprietà magnetiche o la soppressione degli stati topologici superficiali.

Al contrario, molecole metallo-organiche, molecole organiche che ospitano uno ione metallico (magnetico), sono stati immaginati come candidati per sviluppare eterostrutture magnetiche/TI in cui le interazioni interfacciali sono adattate dal ligando organico. Questo è esattamente ciò che i ricercatori dell'ICN2, in collaborazione con CFM-San Sebastián, Politecnico di Zurigo, ISM-Trieste e ALBA Sincrotrone, hanno dimostrato. Pubblicato in ACS Nano , questa ricerca è stata condotta da ICREA Prof. Aitor Mugarza, Responsabile del Gruppo Manipolazione Atomica e Spettrocopia e ICREA Prof. Sergio O. Valenzuela, Leader del gruppo di fisica e ingegneria di Nanodevices. Hanno avuto la collaborazione di ICREA Prof. Daniel Maspoch, Leader del Gruppo Supramolecolare Nanochimica e Materiali, che ha sintetizzato la molecola metallo-organica. Il primo autore del lavoro è l'ex Ph.D. di ICN2. studente Marc G. Cuxart.

In questo lavoro, i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che è possibile regolare l'interazione interfacciale senza spegnere lo spin molecolare e lo stato superficiale topologico del TI scegliendo opportuni ligandi organici. In particolare, hanno scoperto che i monostrati di CoTBrPP e CoPc (molecole metallo-organiche) adsorbiti su Bi2Te3 (isolante topologico) formano interfacce robuste in cui le interazioni elettroniche possono essere sintonizzate senza perturbare fortemente le proprietà intrinseche di ciascun costituente. Le loro conclusioni sono supportate da elementi strutturali, informazioni elettroniche e magnetiche derivate da una combinazione di tecniche specializzate (STM, ARPE, XMCD e DFT).