Un nuovo isolante topologico per l’informazione quantistica

Cosa succede quando atomi di ferro sono posti sulla superficie di un materiale conduttore? Diventa un superconduttore topologico. A dimostrarlo è un gruppo di ricercatori finlandesi che, in un recente articolo che esamina le proprietà dei superconduttori a basse temperature, presenta un modello matematico in grado di predire l’esistenza fisica di un superconduttore topologico costituito da un sottile film metallico. L’articolo è comparso sulla rivista Physical Review Letters. 

Un isolante topologico è un materiale di nuova generazione che ci induce a rivedere il concetto tradizionale di isolante, cioè di materiale che non conduce corrente elettrica. Gli isolanti topologici hanno infatti una caratteristica bizzarra: sono ancora isolanti al loro interno, ma non sulla superficie, dove la corrente elettrica, ovvero un flusso di elettroni, può scorrere più o meno liberamente e in modo molto efficiente. Da un punto di vista microscopico, nei materiali isolanti, gli elettroni non possono muoversi perché vincolati strettamente agli atomi di appartenenza. Per guadagnare la libertà di movimento dovrebbero riuscire a salire di livello energetico: questa distanza tra livello energetico occupato dagli elettroni in un isolante e livello che dovrebbero occupare per diventare conduttori è chiamata gap energetico. Negli isolanti topologici, questa stratificazione dell’energia in bande è modificata fortemente da un fenomeno quantistico che coinvolge le orbite degli elettroni e lo spin di queste particelle.

Researchers predicted existence of new quantum matter theoretically

Lo stato del superconduttore topologico previsto dal modello matematico elaborato dai ricercatori finlandesi. (Crediti: Aalto University).

“Sappiamo che in uno stato quantico la corrente elettrica si muove senza resistenza sulle superfici dei metalli superconduttori. Si tratta di un fenomeno interessante che abbiamo voluto studiare in modo più dettagliato. I superconduttori topologici differiscono da quelli normali in quanto hanno una corrente costante di movimento lungo i bordi. Questa corrente contiene particelle esotiche chiamate fermioni di Majorana. Abbiamo ottenuto segnali affidabili da queste particelle in test effettuati alla fine dello scorso anno”, spiega Teemu Ojanen uno degli autori della ricerca. “I bordi della superficie di un superconduttore topologico sono unidirezionali; di conseguenza la corrente è trasportata in una sola direzione. Tuttavia, il numero e la direzione degli stati può variare. Questa situazione potrebbe essere paragonata ad una rotonda in cui il numero di corsie e la direzione possono cambiare”, conclude Ojanen.

Si è già previsto sul piano teorico che i fermioni di Majorana hanno proprietà che possono contribuire a creare stati quantici di questo tipo. Le strutture prodotte in questo modo possono essere utilizzate per la codifica di informazioni. Per questo motivo infatti le applicazioni future più interessanti concernono i computer quantistici. Questa nuova promessa del mondo dell’informatica permetterebbe infatti di produrre circuiti elettronici che non risentono degli effetti deleteri del surriscaldamento generato dal passaggio della corrente elettrica, un fenomeno che chiunque usi un dispositivo elettronico ha sperimentato. Basta poggiare una mano sul proprio pc per rendersi conto del calore emesso durante il tempo di utilizzo.

Paper: “Topological Superconductivity and High Chern Numbers in 2D Ferromagnetic Shiba Lattices” journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.236803

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-quantum-theoretically.html

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