I fisici scoprono il primo isolante topologico naturale al mondo

Gli isolanti topologici sono uno dei nuovi materiali più interessanti nella scienza. Questa roba è strana perché è un conduttore in superficie ma un isolante all'interno, un po' come un blocco di ghiaccio in cui l'acqua che si scioglie scorre all'esterno ma è intrappolata come un solido nel mezzo.

Ma gli isolanti topologici hanno un'altra proprietà. Gli elettroni che scorrono sulla superficie di un isolante topologico sono tutti allineati in un modo specifico. In effetti, i loro giri sono bloccati ad angolo retto rispetto alla loro direzione di movimento.

Questo blocco dello spin-momento significa che gli elettroni sono immuni dal buffeting che otterrebbero all'interno di un conduttore ordinario. Invece, gli elettroni possono spostarsi attraverso isolanti topologici perfetti con un'efficienza del 100%, anche a temperatura ambiente.

Questo comportamento unico ha entusiasmato sia i fisici che gli ingegneri elettronici. Significa che gli isolanti topologici potrebbero costituire la base di una generazione completamente nuova di dispositivi elettronici che codificano le informazioni utilizzando sia lo spin che la carica di un elettrone.

Ma c'è un problema. Gli isolanti topologici sono pochi e distanti tra loro. I fisici hanno predetto la loro esistenza nei solidi nel 2005 e hanno sintetizzato il primo esempio nel 2008: una complessa struttura cristallina basata sull'antimonide di bismuto. Ma la difficoltà nel fare altri esempi è un problema serio per la tecnologia emergente della spintronica.

Sembra destinato a cambiare. Oggi, Pascal Gehring del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda e alcuni amici hanno trovato il primo esempio di isolante topologico naturale in un campione di quarzo proveniente da una miniera nella Repubblica ceca. La scoperta solleva la prospettiva che anche altri materiali naturali possano essere isolanti topologici.

Il nuovo materiale è un minerale metallico grigio chiamato Kawazulite, composto da bismuto, tellurio, selenio e zolfo. Il nome deriva dalla miniera di Kawazu in Giappone, dove è stata scoperta per la prima volta.

Data la struttura cristallina della kawazulite, gli scienziati dei materiali hanno sospettato che potesse fungere da isolante topologico. In effetti, hanno sintetizzato il materiale in laboratorio e misurato le sue proprietà per scoprirlo.

In ogni caso, tuttavia, l'isolamento topologico previsto non si è concretizzato a causa di difetti nella struttura del materiale sintetizzato.

Ora Gehring e co hanno creato strati cristallini singoli del minerale scindendoli da un cristallo naturale. Quando hanno misurato le proprietà di questo foglio, si è scoperto che era un conduttore sulla superficie e un isolante all'interno, proprio come previsto.

Il team ipotizza che la kawazulite naturale abbia meno difetti rispetto alla sua cugina sintetica perché è così vecchia: qualsiasi difetto è caduto dalla struttura durante i milioni di anni dalla sua formazione.

La domanda ora è se sia possibile creare abbastanza lastre di cristallo singolo dalla kawazulite naturale per consentire a questa roba di essere messa alla prova dai fisici che lavorano sulla prossima generazione di dispositivi spintronici.

Se riusciranno a perfezionare questi dispositivi, l'industria elettronica potrebbe un giorno fare affidamento su isolanti topologici naturali provenienti dalle miniere di quarzo in Giappone e oltre.

Rif: arxiv.org/abs/1311.6637 : Un isolante topologico naturale

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