Gli isolanti di Hall di spin quantistico sono una classe di stati topologici bidimensionali (2D) della materia che sono elettricamente isolanti al loro interno ma, a differenza dei semiconduttori, portano una coppia di stati metallici unidimensionali (1D), che sono strettamente confinati ai loro bordi.

Particolare a questi elettroni 1D "spigoloso" è che sono ciò che i fisici chiamano elicoidale:cioè, gli spin degli elettroni di conduzione sono allineati e legati alla direzione in cui gli elettroni si muovono lungo il bordo 1D, simile a una coppia di fili unidimensionali spin-polarizzati. Queste proprietà elicoidali offrono potenziali soluzioni per problemi di elettronica e spintronica, così come i dispositivi elettronici quantistici.

Proprio come un foglio di carta mantiene i suoi due lati anche quando accartocciato, le proprietà fisiche degli stati del bordo metallico di un isolante di Hall di spin quantistico sono notevolmente stabili contro le perturbazioni:sono protette dalla topologia.

Predetto per la prima volta in teoria due decenni fa, questo esotico, stato topologico della materia realizzato per la prima volta in eterostrutture di semiconduttori a strati.

Più recentemente, stanno emergendo classi di cristalli atomicamente sottili, simile al famoso grafene, che ospitano questo stato elettronico della materia come una proprietà intrinseca.

Nel loro articolo in Materiale avanzato ad aprile 2021 (link sotto), il team esamina i recenti progressi nell'ingegneria dei materiali insieme alla descrizione teorica, esaminando la libreria di promettenti isolanti di Hall di spin quantistico atomicamente sottili con vista sulle applicazioni dei dispositivi elettronici classici e quantistici.

Per esempio, l'intervallo di temperatura in cui gli stati limite esotici possono essere sfruttati scala con le proprietà di questi cristalli, come la forza di accoppiamento dello spin dell'elettrone al suo momento orbitale.

Mentre gli isolanti di Hall di spin quantistico basati sull'eterostruttura dei semiconduttori sono stati caratterizzati solo a temperature dell'elio liquido (T <4,2 K), i recenti progressi hanno visto lo sviluppo di cristalli atomicamente sottili che mantengono le loro proprietà di spin quantistico Hall fino a 100 K, promettenti dimostrazioni a temperatura ambiente in futuro.

Gli isolanti Quantum Spin Hall potrebbero essere utilizzati per nuovi tipi di elettronica che consumano meno energia, ma ciò richiederebbe il funzionamento a temperatura ambiente per evitare un raffreddamento costoso (e assetato di energia).

Agli estremi di bassa temperatura in cui può essere indotta la superconduttività, sono state previste applicazioni di calcolo quantistico particolarmente promettenti. Quando superconduttore, si prevede che gli stati del bordo 1D ospitino un tipo esotico di quasiparticella chiamata "fermioni di Majorana, " che non è né fermione né bosone. Infatti, questi anyon agiscono come la propria antiparticella e obbediscono a statistiche esotiche di quasiparticelle non abeliane che li rendono candidati interessanti come portatori di informazioni quantistiche.

Infatti, grazie alla loro protezione topologica contro i disturbi esterni, si prevede che questi fermioni esotici offrano una potenziale soluzione a un problema comune nel calcolo quantistico, che è quello di mantenere lunghi tempi di coerenza, cioè la scala temporale in cui le informazioni quantistiche possono essere archiviate ed elaborate.

Il calcolo quantistico topologico basato su Majorana è spesso considerato uno dei problemi fisici più impegnativi del nostro tempo. Ha ricevuto un'enorme attenzione e scrutinio da parte dei media, soprattutto di recente, evidenziando l'importanza di continuare la ricerca su materiali alternativi e piattaforme di dispositivi in ​​cui è possibile realizzare il calcolo quantistico topologico.

La carta, Isolatori atomicamente sottili di spin Hall quantistica (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee, e Bent Weber) è stato pubblicato in Materiale avanzato nell'aprile 2021.