La topologia dei materiali isolanti
Gli isolanti topologici sono materiali elettrici isolanti della massa, ma conducono elettricità in superficie, una caratteristica che non hanno gli isolanti ordinari. Le due diverse fasi della materia coesistono in elementi pesanti, quali bismuto e antimonio, e potrebbero servire per applicazioni future nel settore della spintronica e dell’elettronica. La maggior parte delle analisi di questi materiali si è basata su modelli altamente semplificati in cui gli elettroni all’interno del solido sono stati trattati come se non interagissero tra loro. I ricercatori del progetto QETPM (“Quantum entanglement and topological phases of matter”) hanno eseguito un’analisi più dettagliata. La struttura interna degli isolanti topologici è stata approssimata con un sistema di particelle quantistiche interagenti su un reticolo in presenza di campi magnetici. Questi sistemi sono realizzati sperimentalmente con atomi ultrafreddi, ma i ricercatori del progetto QETPM hanno fornito la descrizione teorica più adatta degli isolanti topologici. Hanno condotto esperimenti teorici per stabilire la relazione tra gli stati fondamentali del cosiddetto problema di Hofstadter e gli isolanti topologici. Il team ha inoltre esaminato se le stesse regole che governano la formazione di stati Hall quantistici in più sistemi reticolari che interagiscono tra loro si applicano anche ai sistemi di superconduttori accoppiati. A temperature molto basse e in presenza di un forte campo magnetico, film sottili di materiali semiconduttori mostrano il fenomeno noto come effetto Hall quantistico. Lo stesso stato, in cui gli elettroni fluiscono senza perdita di energia, può essere raggiunto anche negli isolanti topologici recentemente scoperti. I ricercatori del progetto QETPM hanno trovato una vasta gamma di stati Hall quantistici nei sistemi reticolari con interazioni tra i diversi inter- e intra-strati. Inoltre, essi hanno desunto gli spettri di eccitazione di questi sistemi multistrato e le previsioni per nuovi ordini topologici. Si è scoperto che le diverse fasi della materia s idistinguono per le loro strutture interne, che gli scienziati chiamano ordini. Si prevede che i nuovi ordini topologici rilevati all’interno del progetto QETPM estendano e approfondiscano la nostra comprensione delle fasi note della materia. Possono inoltre guidarci verso nuove fasi della materia e spiegarci esattamente in che modo un materiale normale può diventare un isolante topologico.
Parole chiave
Isolanti topologici, fasi della materia, isolanti elettrici, spintronica, entanglement quantistico
