Spintronics si riferisce a una serie di sistemi fisici che un giorno potrebbero sostituire molti sistemi elettronici. Per realizzare questo salto generazionale, i componenti materiali che confinano gli elettroni in una dimensione sono molto ricercati. Per la prima volta, i ricercatori hanno creato un tale materiale sotto forma di uno speciale cristallo a base di bismuto noto come isolante topologico di alto livello.

Per creare dispositivi spintronici, devono essere progettati nuovi materiali che sfruttino comportamenti quantistici non visti nella vita di tutti i giorni. Probabilmente hai familiarità con conduttori e isolanti, che consentono e limitano il flusso di elettroni, rispettivamente. I semiconduttori sono comuni ma ad alcuni meno familiari; questi di solito isolano, ma condotta in determinate circostanze, rendendoli interruttori miniaturizzati ideali.

Per applicazioni spintroniche, è necessario un nuovo tipo di materiale elettronico e si chiama isolante topologico. Si differenzia da questi altri tre materiali isolando in tutto il suo ingombro, ma conducendo solo lungo la sua superficie. E ciò che conduce non è il flusso degli elettroni stessi, ma una loro proprietà nota come spin o momento angolare. Questa corrente di spin, come è noto, potrebbe aprire un mondo di dispositivi ad altissima velocità e bassa potenza.

Però, non tutti gli isolanti topologici sono uguali:due tipi, cosiddetti forti e deboli, sono già stati creati, ma presenta alcuni inconvenienti. Mentre conducono la rotazione lungo tutta la loro superficie, gli elettroni presenti tendono a disperdersi, che indebolisce la loro capacità di trasmettere una corrente di spin. Ma dal 2017 è stato teorizzato un terzo tipo di isolante topologico chiamato isolante topologico di ordine superiore. Ora, per la prima volta, uno è stato creato da un team dell'Istituto di fisica dello stato solido dell'Università di Tokyo.

"Abbiamo creato un isolante topologico di ordine superiore utilizzando l'elemento bismuto, " ha affermato il professore associato Takeshi Kondo. "Ha la nuova capacità di essere in grado di condurre una corrente di spin solo lungo i suoi bordi d'angolo, linee essenzialmente unidimensionali. Poiché la corrente di spin è legata a una dimensione anziché a due, gli elettroni non si disperdono, quindi la corrente di spin rimane stabile."

Per creare questo cristallo tridimensionale, Kondo e il suo team hanno impilato fette bidimensionali di cristallo dello spessore di un atomo in un certo modo. Per isolanti topologici forti o deboli, le fette di cristallo nella pila sono tutte orientate allo stesso modo, come giocare a carte coperte in un mazzo. Ma per creare l'isolante topologico di ordine superiore, l'orientamento delle fette è stato alternato, le carte da gioco metaforiche sono state scoperte e poi abbassate ripetutamente in tutto il mazzo. Questo sottile cambiamento nella disposizione fa un enorme cambiamento nel comportamento del cristallo tridimensionale risultante.

Gli strati di cristallo nella pila sono tenuti insieme da una forza meccanica quantistica chiamata forza di van der Waals. Questo è uno dei rari tipi di fenomeni quantistici che vedi nella vita quotidiana, poiché è in parte responsabile del modo in cui i materiali in polvere si aggregano e scorrono nel modo in cui lo fanno. Nel cristallo, fa aderire gli strati insieme.

"È stato emozionante vedere che le proprietà topologiche appaiono e scompaiono a seconda del modo in cui sono stati impilati i fogli atomici bidimensionali, " ha detto Kondo. "Un tale grado di libertà nel design dei materiali porterà nuove idee, portando ad applicazioni che includono dispositivi spintronici veloci ed efficienti, e cose che dobbiamo ancora immaginare."

Lo studio è pubblicato su Materiali della natura .