I fisici hanno scoperto un modo per rilevare isolanti topologici di ordine superiore

Proprio come un libro non può essere giudicato dalla copertina, così un materiale non può essere sempre giudicato dalla sua superficie. Ma per una classe di materiali difficili da indovinare, i fisici hanno ora dimostrato che una superficie precedentemente ritenuta “informe” porta una firma inequivocabile che potrebbe portare alla prima osservazione definitiva.

Gli isolanti topologici di ordine superiore, o HOTI, hanno attirato l'attenzione per la loro capacità di condurre elettricità lungo linee unidimensionali sulle loro superfici, ma questa proprietà è molto difficile da distinguere sperimentalmente da altri effetti. Invece di studiare l’interno di questi materiali da una prospettiva diversa, un team di fisici ha identificato una firma superficiale unica degli HOTI che può determinare come la luce viene riflessa dalle loro superfici. Come riporta il team su Nature Communications, questa proprietà può essere utilizzata per confermare sperimentalmente l’esistenza di tali stati topologici nei materiali reali.

“Le proprietà principali, o interne, degli HOTI e di altri isolanti topologici sono state ignorate per molto tempo, ma si scopre che anche lì accadono molte cose interessanti”, ha affermato Barry Bradlin, professore di fisica presso l'Università di New York. Illinois. Urbana-Champaign e co-leader del progetto. “Quando abbiamo guardato le superfici attraverso una lente più fine, si sono immediatamente distinte dall’essere banali o prive di caratteristiche”.

Per molto tempo, gli isolanti topologici sono stati notati per la loro capacità di trasportare correnti elettriche sulle loro superfici pur avendo interni isolanti. Tuttavia, gli HOTI limiteranno la conduttività elettrica a un bordo unidimensionale, o “cerniera”, anziché all’intera superficie bidimensionale.

“Charles Keane, che scoprì gli isolanti topologici, Fornisci una buona analogiaha affermato Benjamin Feder, docente presso l'Istituto di fisica teorica dell'Università di Paris-Saclay e co-leader del progetto. “Possiamo pensare a isolanti topologici standard come Hershey's Kisses™. Un foglio di metallo conduttivo avvolto attorno a un isolante che non conduce elettricità, cioccolato in questo caso, è un buon modo per capirlo. Tuttavia, con gli HOTI, è come se qualcuno avesse preso una carta di alluminio e l'ho assemblata in un sottile anello che circondava il cioccolato.

Mentre gli stati di conduzione superficiale sono stati osservati negli isolanti topologici standard, risolvere la cerniera negli HOTI si è rivelato molto difficile. Questa proprietà può esistere solo in campioni di materiali che hanno un grado di simmetria insolitamente elevato, il che significa che la loro struttura cristallina deve essere irrealisticamente perfetta, ha spiegato Bradlin.

Bradlin e i suoi collaboratori hanno invece rivolto la loro attenzione dallo stato cerniera verso l’interno, dove gli elettroni tendono a “delocalizzarsi” dai singoli atomi e a diffondersi nell’intero materiale. A differenza degli studi precedenti che trattavano tutti gli elettroni allo stesso modo, i ricercatori hanno preso in considerazione le differenze di spin, una proprietà degli elettroni che consente loro di comportarsi come magneti in miniatura.

“Quando abbiamo diviso gli elettroni interni in due possibili stati di spin, su e giù, abbiamo visto che ogni stato lasciava una firma superficiale unica”, hanno detto Quan Sin Lin, uno studente laureato in fisica presso l'Università dell'Iowa, e il gruppo di studio. Autore principale. “Sebbene la superficie HOTI sembri poco interessante, quando si osserva ciò che fa ogni singolo ciclo sulla superficie, emerge un nuovo comportamento inequivocabile che speriamo venga presto misurato in un esperimento”.

Poiché gli elettroni con spin diversi si comportano come magneti, rispondono in modo diverso quando viene applicata una tensione al materiale, provocando la formazione dei due stati di spin su lati opposti. Questo accumulo può essere rilevato sfruttando l’effetto Kerr magneto-ottico, dove la polarizzazione o la direzione della luce cambia quando viene riflessa dalla superficie di un magnete. Nel caso degli HOTI, i ricercatori hanno calcolato la variazione di polarizzazione da ciascuno stato di spin e hanno scoperto che è esattamente la metà della variazione che risulterebbe da un normale isolante.

“Nell'analogia del bacio, potremmo aspettarci che, poiché il wafer è spiegazzato, il cioccolato sia a diretto contatto con l'aria”, ha detto Gregory Vitti, professore di fisica alla Northeastern University e coautore dello studio. “Dai comportamenti superficiali dipendenti dallo spin che abbiamo riscontrato, possiamo dire che in realtà esiste uno strato trasparente che mantiene il cioccolato separato dal resto del supermercato”.

Facendo affidamento sui calcoli dei principi primi utilizzando il kit di strumenti teorici specializzati che i ricercatori hanno sviluppato per questo studio, hanno identificato il bromuro di bismuto metallico come un candidato molto forte per osservare questo effetto. Attualmente stanno lavorando con il professore di fisica dell'Università dell'Illinois Fahad Mahmood e il professore di scienza dei materiali e ingegneria dell'Università dell'Illinois Daniel Shoemaker per progettare e implementare gli esperimenti proposti in questo studio.

“Le proprietà degli HOTI che abbiamo identificato qui saranno molto utili nell'informatica quantistica e nei dispositivi spintronici, ma dobbiamo prima vederle in un esperimento”, ha detto Bradlin. “Ci auguriamo che il nostro lavoro dimostri che l'interno e le superfici dei materiali topologici contengono ancora molte caratteristiche misteriose che sono utili se si sa come cercarle”, ha aggiunto Feder.

L'articolo “Topologia di spin e angoli degli assi parziali negli isolanti 3D” è disponibile online. ID digitale: 10.1038/s41467-024-44762-s

I primi calcoli fondamentali sul bromuro di bismuto furono eseguiti da Zhaopeng Guo e Zhijun Wang dell'Accademia cinese delle scienze

Ulteriore supporto computazionale è stato fornito da Jeremy Blackburn della Binghamton University.

A questo lavoro hanno contribuito anche Giandomenico Palombo del Dublin Institute for Advanced Study e Eunseok Hwang dell’Università dell’Iowa.

Il supporto è stato fornito dal Center for Quantum Sensing and Quantum Materials, un centro di ricerca sulla frontiera energetica del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Basic Energy Sciences; Programma di Ricerca e Innovazione dell'Unione Europea e del Consiglio Europeo della Ricerca; Fondazione Nazionale della Scienza; La Fondazione Alfred P. Sloan; Ufficio Ricerche Scientifiche dell'Aeronautica Militare; Ufficio di ricerca navale; Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali; Il programma di ricerca prioritaria strategica dell'Accademia cinese delle scienze.