Materiali topologici e variazione delle proprietà elettroniche

L'osservazione delle variazioni delle proprietà elettroniche di un particolare materiale topologico, il ditelluride al tungsteno, apre spiragli per la costruzione di nuovi switch.

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Esiste una categoria di materiali, chiamati materiali topologici, per i quali i fisici hanno avviato un’intensa attività di ricerca. Questi materiali sono caratterizzati da proprietà elettroniche particolari, che risultano essere molto resistenti contro le perturbazioni esterne. In uno di questi materiali, il ditelluride al tungsteno, è possibile scomporre questo stato topologico protetto, e quindi modificarne le proprietà, utilizzando degli speciali impulsi laser con frequenze dell’ordine dei picosecondi (10^-12 secondi). Questo potrebbe essere un requisito fondamentale per realizzare interruttori optoelettronici estremamente veloci.

Per la prima volta un gruppo di fisici dell’Università di Kiel, in collaborazione con ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids di Dresda, della Tsinghua University di Pechino e della Shangai Tech University, è riuscito a osservare, in tempo reale, delle variazioni nelle proprietà elettroniche di questi materiali. Utilizzando degli impulsi laser, i ricercatori hanno inserito degli atomi in un campione di ditelluride al tungsteno, in uno stato di eccitazione controllata, e quindi hanno seguito i successivi cambiamenti delle proprietà elettroniche dal vivo, con misurazioni a elevata precisione.

Se fosse possibile invertire nuovamente queste variazioni elettroniche, indotte dal laser, si disporrebbe di uno switch che può essere attivato dalla luce e che può cambiare tra differenti stati elettronici. Questi processi di switching erano stati già previsti in un altro studio, svolto da ricercatori negli Stati Uniti, che avevano direttamente osservato il movimento degli atomi nel ditelluride al tungsteno. Lo studio condotto presso l’Univesità di Kiel si è focalizzato invece sul comportamento degli elettroni, e su come possono essere modificate le proprietà elettroniche dello stesso materiale, utilizzando impulsi laser.

Una delle componenti del gruppo, Petra Hein, afferma che alcuni elettroni del ditelluride al tungsteno sono estremamente mobili, e pertanto rappresentano dei formidabili portatori di informazione nell’ambito delle applicazioni elettroniche. Ciò è dovuto al fatto che essi si comportano come i cosiddetti fermioni di Weyl, ovvero delle particelle prive di massa con delle proprietà particolari, finora osservate solo indirettamente come quasi-particelle nei solidi simili al ditelluride al tungsteno. Per la prima volta è stato possibile effettuare queste variazioni nell’ambito della struttura elettronica visibile, dove queste proprietà di Weyl sono facilmente riscontrabili.

Per catturare le impercettibili variazioni delle proprietà elettroniche è necessario un progetto sperimentale altamente sensibile, delle misurazioni estremamente precise e un’intesa opera di analisi dei dati.

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Nel corso degli anni, il gruppo di ricerca di Kiel è stato in grado di sviluppare questo tipo di esperimento con la necessaria stabilità di lungo termine. Attraverso gli impulsi laser, sono stati inseriti degli atomi dentro un campione di ditelluride al tungsteno per portarlo a uno stato di eccitazione vibrazionale. Conseguentemente, si è formata una sovrapposizione di eccitazioni vibrazionali, ognuna delle quali ha determinato il cambiamento delle proprietà elettroniche del materiale. Si sapeva che una di queste vibrazioni atomiche avrebbe modificato le proprietà di Weyl e lo scopo del team era quello di vedere esattamente quali fossero gli effetti di questo cambiamento.

Per osservare questo specifico processo, il gruppo di ricerca ha inviato sul materiale un secondo impulso laser, a distanza di qualche picosecondo dal primo. Il rilascio di elettroni dovuto a questo metodo, noto come spettroscopia fotoelettronica risolta nel tempo, ha fornito degli importanti spunti per trarre delle conclusioni sulla struttura elettronica del materiale. Grazie al breve intervallo di esposizione (circa 0,1 picosecondi), è possibile ottenere una sorta di istantanea dello stato elettronico del materiale. Mettendo insieme una grande quantità di queste singole immagini, come a formare un film, è possibile osservare come un materiale reagisce all’eccitazione derivante dal primo impulso.

La registrazione dei dati, inerenti questi processi di variazione dello stato elettronico di un materiale, viene effettuata nell’arco di una settimana. Utilizzando un nuovo approccio per l’analisi dei dati, i ricercatori sono stati quindi in grado di visualizzare le variazioni delle proprietà elettroniche di Weyl per il ditelluride al tungsteno.

I risultati dell’esperimento dimostrano la sensibile, oltre che estremamente selettiva, relazione tra le vibrazioni degli atomi di un solido e le inusuali proprietà elettroniche del ditelluride al tungsteno. La ricerca futura mira a comprendere se questi processi di trasformazione elettronica possono essere attivati ancora più velocemente – irradiando direttamente impulsi laser – così come già previsto teoricamente per altri materiali topologici.

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Fonte: Nature Communications