Un nuovo database rivela più di 90.000 materiali noti con proprietà elettroniche che rimangono imperturbabili nonostante una modifica della loro forma fisica. Ora si può lavorare a dispositivi elettronici più resilienti, intelligenti e veloci
La topologia deriva da una branca della matematica che studia forme che possono essere manipolate o deformate senza perdere alcune proprietà fondamentali. Per esempio, una palla è una sfera senza aperture, mentre una ciambella, con il suo unico buco, è topologicamente equivalente a una mela, ma non a una palla poiché il passaggio da una topologia all’altra richiederebbe un cambiamento radicale, come il praticarvi dei fori.
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno applicato i concetti di topologia alla scoperta di materiali con proprietà elettroniche altrettanto robuste. Nel 2007, i ricercatori hanno previsto i primi isolanti topologici elettronici, materiali in cui gli elettroni si comportano in modo “protetto” di fronte a determinate interruzioni.
Fino a poco tempo, solo un numero esiguo di questi materiali era stata identificato e quindi si presumeva che si stesse parlando di qualcosa di raro. Ora il team, guidato da Nicolas Regnault dell’Università di Princeton e dall’École Normale Supérieure di Parigi, e i ricercatori del MIT hanno pubblicato un articolo su “Science”, in cui sostengono che i materiali topologici sono ovunque, se li si sa cercare.
Grazie a una batteria di supercomputer, gli studiosi hanno mappato la struttura elettronica di oltre 96.000 materiali cristallini naturali e sintetici, applicando filtri sofisticati per determinare se e che tipo di tratti topologici esistono in ciascuna struttura. Nel complesso, hanno scoperto che il 90 per cento di tutte le strutture cristalline conosciute contiene almeno una proprietà topologica e oltre il 50 per cento di tutti i materiali presenti in natura mostra una sorta di comportamento topologico.
Il team ha inserito i materiali appena identificati in un nuovo database di materiali topologici liberamente accessibile, simile a una tavola periodica della topologia. Con questa nuova libreria, gli scienziati possono cercare rapidamente materiali di interesse per qualsiasi proprietà topologica e sfruttarli per costruire transistor a bassissima potenza, nuova memoria magnetica e altri dispositivi con solide proprietà elettroniche.
“Finora ci si era affidati all’intuizione chimica”, afferma Benjamin Wieder, del Dipartimento di Fisica del MIT, “ma in questo studio è stato adottato un metodo sistematico per rintracciare comportamenti elettronici robusti nelle strutture cristalline conosciute, note anche come materiali inorganici allo stato solido”.
A tal fine, i ricercatori hanno preso in considerazione l’Inorganic Crystal Structure Database, o ICSD, un repository in cui vengono inserite le strutture atomiche e chimiche dei materiali trovati in natura e di quelli che sono stati sintetizzati e manipolati in laboratorio. L’ICSD è attualmente il più grande database di materiali al mondo, contenente oltre 193.000 cristalli le cui strutture sono state mappate e caratterizzate.
Il team ha ripulito l’intero ICSD ed è rimasto con 96.000 strutture processabili. Per ciascuna di queste, ha eseguito una serie di calcoli basati sulla conoscenza fondamentale della relazione tra costituenti chimici, per produrre una mappa della struttura elettronica del materiale, nota anche come struttura a bande di elettroni.
Con un sistema di supercomputer, successivamente, il team ha eseguito una seconda serie di operazioni, questa volta per individuare varie fasi topologiche note o comportamento elettrico persistente in ciascun materiale cristallino.
Dalla analisi sono emersi un numero sorprendentemente elevato di materiali che sono naturalmente topologici, senza alcuna manipolazione sperimentale, nonché materiali che possono essere manipolati, per esempio con drogaggio leggero o chimico, per esibire una sorta di comportamento elettronico stabile. Sono anche stati scoperti alcuni materiali che contenevano più di uno stato topologico quando esposti a determinate condizioni.
“Il serraglio delle nuove proprietà dei materiali si potrà tradurre in un’infinità di applicazioni nell’elettronica, nella catalisi e nell’informatica quantistica e porterà forse anche alla ridefinizione della tavola periodica”, conclude Wieder.
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(rp)
