Strati atomicamente sottili del ditellururo di tungsteno semimetallico conducono l'elettricità senza perdite lungo stretti, canali unidimensionali ai bordi del cristallo. Il materiale è quindi un isolante topologico di secondo ordine. Ottenendo una prova sperimentale di questo comportamento, i fisici dell'Università di Basilea hanno ampliato il pool di materiali candidati per la superconduttività topologica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nano lettere .

Gli isolanti topologici rappresentano un'area di ricerca chiave perché potrebbero essere potenzialmente utilizzati come superconduttori nell'elettronica del futuro. Materiali di questo tipo si comportano come isolanti all'interno, mentre le loro superfici hanno proprietà metalliche e conducono elettricità. Un cristallo tridimensionale di un isolante topologico conduce quindi elettricità sulla sua superficie, mentre nessuna corrente può fluire all'interno. Inoltre, grazie alla meccanica quantistica, la conduttività sulla superficie è quasi senza perdite:l'elettricità viene condotta su lunghe distanze senza generazione di calore.

Oltre a questi materiali, esiste un'altra classe nota come isolanti topologici di secondo ordine. Questi cristalli tridimensionali hanno conduttori, canali unidimensionali che corrono solo lungo alcuni bordi di cristallo. I materiali di questo tipo sono particolarmente adatti a potenziali applicazioni nell'informatica quantistica.

Previsione teorica

Gli esperti presumono che il bismuto semimetallico mostri alcune delle proprietà di un materiale topologico di secondo ordine. Inoltre, i ricercatori hanno anche previsto, dalla teoria, che strati atomicamente sottili di un altro semimetallo, ditelluride di tungsteno (WTe ₂ ), si comporteranno come isolanti topologici di secondo ordine, in altre parole, condurranno l'elettricità senza perdite ai bordi mentre il resto dello strato si comporta come un isolante.

Il team guidato dal professor Christian Schönenberger del Dipartimento di Fisica e dello Swiss Nanoscience Institute dell'Università di Basilea ha ora analizzato minuscoli cristalli di ditelluride di tungsteno composti da uno a 20 strati. Per determinare le caratteristiche elettriche del materiale, hanno attaccato contatti superconduttori ad esso prima di applicare un campo magnetico. Poiché il materiale era sensibile all'ossidazione, i ricercatori hanno lavorato in una speciale scatola a basso contenuto di ossigeno e hanno rivestito il ditelluride di tungsteno con un altro cristallo, che era stabile nell'aria.

Oscillazioni caratteristiche

Analizzando il flusso di corrente all'interno del cristallo principale, gli scienziati hanno rilevato numerose oscillazioni a lento decadimento. "Mentre una distribuzione uniforme della corrente porta a oscillazioni che decadono rapidamente, gli stati di bordo estremamente conduttivi generano forti oscillazioni, correnti che decadono lentamente come quelle che abbiamo misurato, " spiega il dottor Artem Kononov, primo autore dello studio e borsista Georg H. Endress presso il Dipartimento di Fisica. "L'unica spiegazione possibile per i nostri risultati è che una grande frazione della corrente scorre lungo i bordi stretti".

"Queste osservazioni supportano le previsioni teoriche secondo cui il ditelluride di tungsteno è un materiale topologico di ordine superiore. Questo apre nuove possibilità per la superconduttività topologica, che potrebbero avere applicazioni in settori come l'informatica quantistica, "dice Christian Schönenberger, che sta studiando la superconduttività topologica in pile di alcuni materiali bidimensionali come parte di un progetto ERC.