Un team di ricerca d’avanguardia, guidato dai fisici Ming Yi ed Emilia Morosan della Rice University, ha compiuto un passo significativo nello sviluppo di un nuovo materiale con proprietà elettroniche uniche: il metallo della linea nodale di Kramers. Questa scoperta promette di aprire la strada alla creazione di dispositivi elettronici molto più potenti e, soprattutto, notevolmente più efficienti dal punto di vista energetico, segnando un’importante svolta verso un’elettronica a bassa perdita di energia e tecnologie più sostenibili.
Il metallo della linea nodale di Kramers: una nuova frontiera quantistica
Il metallo della linea nodale di Kramers, è stato ottenuto introducendo una piccola quantità di indio in un composto stratificato a base di tantalio e zolfo. L’aggiunta di indio ha un effetto cruciale: modifica la simmetria della struttura cristallina, promuovendo le nuove e straordinarie proprietà fisiche associate al comportamento della linea nodale di Kramers.
Questo processo rappresenta un progresso fondamentale nel campo dei materiali quantistici: “Il nostro lavoro fornisce un percorso chiaro per scoprire e progettare nuovi materiali quantistici con proprietà desiderabili per l’elettronica del futuro“, ha affermato Yi, professore associato di fisica e astronomia, sottolineando il potenziale impatto di questa ricerca.
I ricercatori hanno scoperto che l’aggiunta di piccole quantità di indio al disolfuro di tantalio (TaS2) altera la simmetria cristallina sottostante del materiale, creando un modello unico e protetto. In questo modello, gli elettroni con spin “su” e “giù” seguono percorsi distinti nello spazio degli impulsi, come veicoli che viaggiano in direzioni opposte su un’autostrada, fino a quando i due percorsi non si fondono in corrispondenza della linea nodale di Kramers.
Oltre a questa singolare caratteristica, il nuovo materiale ha dimostrato la sorprendente capacità di trasportare elettricità senza perdite di energia, esibendo proprietà superconduttive. Questa duplice caratteristica è particolarmente significativa, in quanto potrebbe permettere lo sviluppo di superconduttori topologici, un tipo di materiale che ha il potenziale per rivoluzionare i sistemi energetici e le tecnologie informatiche.
“Progettare un materiale che soddisfacesse le rigorose condizioni di simmetria necessarie per queste proprietà speciali è stata una sfida, ma i risultati sono stati gratificanti”, ha concluso Morosan, professore di fisica e astronomia, ingegneria elettrica e informatica e chimica, e direttore del Rice Center for Quantum Materials.
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Il team di ricerca ha intrapreso una serie di esperimenti mirati per identificare le composizioni ottimali del nuovo materiale. Hanno impiegato strumenti all’avanguardia, come la spettroscopia di fotoemissione angolare risolta in spin e la spettroscopia di trasporto elettrico in campi magnetici applicati, per analizzare le minuscole particelle all’interno del materiale. Queste tecniche avanzate hanno consentito loro di misurare con precisione l’energia, il movimento e lo spin degli elettroni, le particelle fondamentali responsabili del trasporto dell’elettricità.
“I nostri esperimenti indicano che possiamo adattare con precisione le proprietà del materiale per accentuarne le caratteristiche topologiche, il che è fondamentale per le applicazioni future” ha spiegato Yichen Zhang, studente di dottorato alla Rice e co-primo autore dello studio.
Per confermare l’affidabilità delle loro scoperte, i ricercatori hanno integrato le osservazioni sperimentali con complessi calcoli teorici basati sui primi principi. Le previsioni teoriche si sono allineate perfettamente con i dati sperimentali, fornendo una comprensione ancora più profonda della topologia elettronica del materiale.
Come ha sottolineato Junichiro Kono, direttore dello Smalley-Curl Institute e coautore dello studio, la scoperta e la capacità di regolare le proprietà di un metallo della linea nodale di Kramers da parte del team di Yi e Morosan non solo espandono la nostra comprensione dei materiali quantistici, ma aprono anche nuove prospettive per lo sviluppo di tecnologie elettroniche trasformative a bassa energia. Questa ricerca segna un passo cruciale verso un futuro dell’elettronica più efficiente e sostenibile.
Un esempio di innovazione interdisciplinare
“Questo lavoro pionieristico esemplifica lo spirito di innovazione che caratterizza lo Smalley-Curl Institute“, ha affermato Junichiro Kono, direttore dell’istituto. Ha poi aggiunto che questa ricerca “promuove la nostra missione di promuovere la collaborazione interdisciplinare in molti campi, riunendo fisica, scienza dei materiali e ingegneria per esplorare nuovi comportamenti quantistici nella materia“. Le sue parole sottolineano l’importanza di un approccio integrato per svelare i misteri del mondo quantistico e tradurli in applicazioni pratiche.
I ricercatori sono convinti che questa scoperta sia solo l’inizio di un percorso ben più ampio. Non vedono l’ora di proseguire lo studio di questi materiali innovativi per svelare proprietà ancora più straordinarie che potrebbero dare il via a significative innovazioni in tecnologia e scienza.
“C’è ancora molto da esplorare e siamo entusiasti delle possibilità future che questo nuovo materiale presenta“, ha commentato Yuxiang Gao, ricercatore alla Rice e co-primo autore dello studio. Questa prospettiva evidenzia l’ottimismo e l’impegno del team nel continuare a spingere i confini della conoscenza nel campo dei materiali quantistici.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Comunications.
