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Misteri fisici irrisolti su materiali topologici

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Uno degli ambiti più attivi della ricerca scientifica riguarda le indagini su nuovi stati della materia, e, possibilmente, nuovi modi di decodificare, manipolare e trasportare l’informazione. Uno degli obiettivi è sfruttare le proprietà quantistiche per la comunicazione, che possano andare al di là di quanto reso oggi possibile dall’elettronica convenzionale. Gli isolanti topologici – materiali che in genere si comportano come isolanti, ma possono condurre corrente elettrica attraverso la loro superficie – forniscono delle possibilità di sicuro interesse.

Fra i tanti studi in corso, in questo articolo ci occuperemo di quello sviluppato presso l’U.S, Department of Energy’s Brookhaven National Laboratory, e curato da Peter Johnson, un fisico del Condensed Matter Physics & Materials Science Division dello stesso Dipartimento.

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Esplorare la complessità dei materiali topologici – insieme ad altri fenomeni come il magnetismo e la superconduttività – è una delle aree di ricerca più attrattive e piene di sfida, per i ricercatori del Dipartimento di Brookhaven. Essi stanno cercando di comprendere questi isolanti topologici, perché questi materiali hanno molte potenziali applicazioni, in special modo nella scienza dell’informazione quantistica.

Per esempio, i materiali che hanno questa doppia proprietà di isolanti/conduttori, mostrano una separazione nei livelli energetici dei loro elettroni di superficie con spin opposti. Questa proprietà quantistica potrebbe essere potenzialmente sfruttata nei dispositivi spintronici, per decodificare e trasportare l’informazione. Facendo un passo avanti, l’accoppiamento di questi elettroni con il magnetismo può dare vita a dei fenomeni nuovi e sicuramente interessanti.

Quando si avvicina la superficie di questi materiali a un campo magnetico, si possono realizzare dei particolari stati della materia, che emergono dall’accoppiamento degli isolanti topologici con il magnetismo. Se fosse possibile trovare degli isolanti topologici con il loro magnetismo intrinseco, saremmo in grado di trasportare gli elettroni con uno spin particolare in una direzione particolare.

Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, descrive lo strano comportamento di uno di questi isolanti topologici magnetici. L’articolo include l’evidenza sperimentale che il magnetismo intrinseco, nella maggior parte del Tellururo di Bismuto/Manganese (MnBi2Te4), si estende anche agli elettroni nella sua superficie elettricamente conduttrice. Gli studi che erano stati condotti precedentemente non erano riusciti a fornire delle spiegazioni plausibili sull’esistenza o meno del magnetismo di superficie.

Ma quando i fisici hanno misurato la sensibilità al magnetismo degli elettroni di superficie, solo uno dei stati elettronici osservati ha avuto il comportamento atteso. L’altro stato della superficie, per il quale si attendeva una risposta più significativa, si è comportato come se il magnetismo non esistesse.

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Ci si chiede quindi se il magnetismo è differente alla superficie, o se invece in questi materiali vi è qualcosa che ancora non è stato ben compreso.

Uno dei membri del team di ricerca, il prof. Johnson, opta per una spiegazione esotica del fenomeno, affermando che l’esperimento ha permesso di osservare la regione superficiale del materiale e di identificare due differenti stati elettronici su quella superficie: uno stato che potrebbe esistere su ogni superficie metallica e un altro che invece rifletteva le proprietà topologiche del materiale. Il primo stato era sensibile al magnetismo, il che fornisce una prova che, di fatto, il magnetismo è presente nella superficie. Invece, l’altra regione di superficie, per la quale ci si aspettava un risultato più convincente, non ha manifestato alcuna sensibilità al magnetismo. Pertanto, deve esserci una fisica esotica che potrebbe spiegare il tutto!

Le misure

Gli scienziati hanno studiato il materiale utilizzando vari tipi di spettroscopia a fotoemissione, dove la luce, proveniente da un impulso laser ultravioletto, spinge gli elettroni fuori dalla superficie del materiale e li fa entrare dentro un rilevatore per la misurazione.

Su uno degli esperimenti, è stato utilizzato un impulso laser a infrarossi aggiuntivo, per dare al campione una piccola spinta in modo da far muovere qualcuno degli elettroni prima di effettuare la misurazione. Questo impulso ha quindi preso alcuni elettroni e li ha fatti diventare elettroni di conduzione. Quindi, in un arco temporale molto breve – dell’ordine dei picosecondi – si può effettuare la misurazione per vedere quale degli stati elettronici sono cambiati in risposta all’impulso laser.

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La mappa dei livelli energetici degli elettroni eccitati mostra due distinte bande di superficie, ciascuna delle quali presenta dei rami separati, e all’interno dei rami gli elettroni hanno spin opposto. Ci si aspettava che entrambe le bande, ognuna delle quali rappresenta uno dei due stati elettronici, risentissero della presenza del magnetismo.

Per testare se questi elettroni superficiali fossero effettivamente sensibili al magnetismo, gli scienziati hanno raffreddato il campione a 25 kelvin, permettendo al magnetismo intrinseco di emergere. Solo nello stato elettronico non-topologico si è osservato un gap effettivamente apertosi nell’area dello spettro prevista.

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All’interno di questi gap, gli elettroni non possono esistere, e quindi la loro scomparsa da questa area dello spettro è un chiaro segnale dell’esistenza del gap.

Aver rilevato l’esistenza di un gap nello stato superficiale regolare, ha significato la definitiva evidenza della sensibilità magnetica – e l’evidenza che il magnetismo intrinseco nella maggior parte di questo particolare materiale, si estende anche ai suoi elettroni superficiali.

C’è però da dire che lo stato elettronico topologico studiato dai ricercatori, non ha mostrato alcuna sensibilità al magnetismo – nessun gap. Il che apre un quesito non indifferente.

Queste sono proprietà che gli scienziati vorrebbero comprendere e progettare, così come si progettano le proprietà dei semiconduttori per molteplici tecnologie.

Nel campo della spintronica, per esempio, l’idea è quella di utilizzare differenti stati di spin per decodificare l’informazione, così come le cariche elettriche positive e negative sono oggi utilizzate nei dispositivi a semiconduttore, per decodificare i bit – 1 o 0 – del codice di un computer. Ma i bit quantistici codificati da spin, conosciuti meglio come qubits, hanno molti più stati possibili, non solo due. Ciò amplierà notevolmente il potenziale per decodificare l’informazione in modi nuovi e più efficaci.

Tutto ciò che riguarda gli isolanti topologici magnetici sembra concordare sul fatto che essi siano adeguati per queste applicazioni tecnologiche, ma questo particolare materiale non segue esattamente tutte le regole.

Quindi adesso, se da una parte il team di Brookhaven continua nella sua ricerca su nuovi stati della materia e ulteriori approfondimenti sul mondo quantistico, dall’altra vi è la necessità di spiegare lo strano comportamento quantistico di questo materiale.

Fonte: phys.org

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