Dopare la materia per governare gli isolanti topologici

Schema di un isolante topologico. (Crediti: Journal of Physics/Condensed Matter).

I fisici dell’Università del Michigan hanno messo a punto una tecnica elegante per governare il comportamento degli isolanti topologici, particolari materiali dalla “doppia faccia” le cui proprietà elettriche differiscono notevolmente a seconda che si analizzi la loro superficie o il loro interno. Si tratta infatti di materiali che internamente si comportano come isolanti elettrici ma che sulla superficie manifestano stati conduttivi. L’articolo è stato pubblicato sulla rivista Physical Review B

Gli isolanti topologici potrebbero consentire di effettuare passi avanti soprattutto nel settore dell’elettronica, sfruttando più che la carica degli elettroni la loro rotazione e le loro proprietà magnetiche. Lo strato esterno di queste sostanze esotiche si comporta come un foglio dotato di veri e propri canali che conducono elettricità in modo estremamente efficiente. Al contrario, la loro struttura interna è paragonabile ad un pezzo di legno, un potente isolante che blocca il flusso di corrente. Gli scienziati conoscono separatamente le proprietà topologiche di questi materiali da circa 30 anni, mentre la vera e propria scoperta degli isolanti topologici risale 2007. Ma stanno ancora lavorando per comprenderne tutte le proprietà e le possibili applicazioni

Utilizzando una tecnica dopante, abbastanza comune nella manipolazione dei semiconduttori, i ricercatori dell’Università del Michigan hanno sviluppato un metodo nuovo, più controllato, per creare isolanti topologici. Il doping consiste nell’aggiunta di piccole quantità di impurità all’interno di un materiale con l’obiettivo di cambiare la sua conducibilità elettrica. In questo caso, i fisici hanno dopato il tellururo di bismuto (Bi2Te3), un materiale che origina composti estremamente rigidi e che è noto per la sua capacità di convertire il calore in elettricità, con il tallio, un metallo velenoso. “Questo è un approccio più elegante per fare un isolante topologico”, ha spiegato Ctirad Uher, Professore di Fisica presso la Facoltà di Lettere, Scienze e Arti a Michigan. “Con il doping usando il tallio possiamo aggiungere elettroni al sistema e portarlo attraverso l’intero spettro di densità”. I “portatori” di elettroni a cui lo studioso si riferisce sono elettroni e lacune. Le lacune sono luoghi in cui gli elettroni potrebbero essere; in sostanza questi portatori si comportano come particelle di carica positiva e mantengono gli elettroni incanalati nella corrente. Il telloruro di bismuto, anche se non dopato, è un buon conduttore di elettricità.

Ma “con la creazione di uno stato di isolamento nella massa, siamo in grado di rivelare le proprietà uniche della superficie”, ha spiegato Citrad Uher. Ovviamente questo non è l’unico modo per trasformare la maggior parte di tellururo di bismuto in un isolante, ma negli altri casi si è costretti a lavorare con  materiali di difficile controllo, ha precisato Hang Chi, dottorando in fisica e primo autore dello studio. Con questo nuovo approccio i ricercatori possono modificare le proprietà della massa del loro materiale da un cosiddetto semiconduttore p-type, che conduce elettricità a causa di una carenza di elettroni, ad un n-type, che conduce elettricità perché ha un eccesso di elettroni. E possono bloccare il materiale nel mezzo, dove si comporta come un isolante.

Un microscopio elettronico a trasmissione ha poi rivelato i dettagli della struttura interna di questo materiale. La sua composizione chimica è stata studiata utilizzando una tecnica nota come spettrometria a dispersione di energia, che mostra come gli elementi riflettono la luce a raggi X quando sono esposti ad essa. In questo modo è stato anche possibile misurarne la resistività elettrica – anche detta resistenza elettrica specifica, ossia l’attitudine di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche – che è una misura di quanto efficientemente passano i flussi di corrente a temperature comprese tra -456 a 80 gradi Fahrenheit. Hanno scoperto che, con concentrazioni di tallio fino a 1%, il grosso del materiale è conduttivo. Se si arriva a quantità comprese tra 1,6% e 2,4% di tallio, l’interno è completamente trasformato in un isolante, il cui profilo di resistività è unico, e sembra indicare che lo strato di superficie domina la conduzione elettrica a temperature inferiori a -369 gradi Fahrenheit – resta da capire se tutto ciò funziona a temperatura ambiente.

“In questo momento gli isolanti topologici sono uno dei campi più interessanti in fisica della materia condensata”, ha concluso Hang Chi. “Date le loro caratteristiche possono essere utilizzati in numerose applicazioni, forse anche la computazione quantistica. Essi potrebbero anche ospitare i cosiddetti fermioni di Majorana”. Computazione quantistica e fermioni di Majorana: mi resta qualche dubbio. Nel primo caso mancano, a mia conoscenza, studi sistematici in grado di colmare il gap tra le due branche della fisica. Sui fermioni resta da superare un grosso ostacolo, visto che esibiscono comportamenti che non sono tipici della materia.

(Fonte:phys.org/news/2013-07-easier-topological-insulator-advanced-electronics.html.

Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 19/07/2013).

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