La rivista americana “Science” ha dato notizia di una importante scoperta compiuta da ricercatori della Università tedesca di Würzburg, tra i quali gli italiani Paolo Sessi, Domenico Di Sante e Giorgio Sangiovanni, relativa ai cosiddetti isolanti topologici.
di Angelo Gallippi
Si tratta di materiali di nuova concezione con una caratteristica bizzarra: sono isolanti al loro interno, ma in grado di condurre elettricità sulla superficie, e in modo molto efficiente, tanto che potrebbero essere alla base di futuri circuiti elettronici a resistenza zero.
I ricercatori hanno scoperto che sulla superficie di alcuni isolanti topologici cristallini contenenti stagno, piombo e selenio si formano delle vere e proprie “autostrade” naturali, su cui gli elettroni possono viaggiare indisturbati. Queste autostrade esistono solo se sulla superficie del materiale si è creato un gradino profondo un numero dispari di strati atomici (quindi uno, tre, cinque, …), mentre nel caso di un numero pari di strati l’effetto scompare.
I calcoli teorici riproducono questa peculiarissima proprietà, anche se servirà ancora molto lavoro per capire l’intima natura del fenomeno.
Per comprendere l’importanza della scoperta, a cui hanno collaborato anche centri di ricerca in Polonia e Svizzera, bisogna considerare che fino a oggi i casi noti di “autostrade a corsie separate” per gli elettroni con spin opposto si avevano solo ai bordi di certi particolari cristalli composti da più semiconduttori di diverso tipo (eterostrutture) se portati a temperature molto prossime allo zero assoluto (-273 °C), con tecniche assai costose e difficili. «Al contrario, queste nuove autostrade scoperte a Würzburg», osserva Giorgio Sangiovanni, quarantenne professore di fisica teorica, «si formano in materiali molto più accessibili e semplici da preparare, e soprattutto alla temperatura di ebollizione dell’azoto liquido. Nonostante possa apparire estremamente bassa, -195,82 °C, questa temperatura è infatti raggiungibile a costi ragionevoli».
L’inatteso risultato, ottenuto con un mix di sofisticate tecniche sperimentali di spettroscopia a scansione tunnel e di calcoli teorici, apre la strada a interessanti ricadute tecnologiche, in particolare nel campo dell’elettronica. «Infatti», aggiunge Domenico Di Sante, giovanissimo ricercatore di fisica teorica alla stessa università di Würzburg, «alcuni di questi materiali potrebbero venire usati per produrre, in modo economico e con le tecniche di fabbricazione già in uso per il silicio, circuiti elettronici per computer non soggetti al surriscaldamento generato dal passaggio della corrente elettrica, con un sensibile aumento della velocità di calcolo».
Il primo autore della pubblicazione, il giovane fisico sperimentale Paolo Sessi, osserva che «il passo in avanti è straordinario perché, rispetto ad altri canali unidimensionali già osservati in altri isolanti topologici, questi si formano senza ricorrere a delicatissime tecniche litografiche e soprattutto sono molto più robusti, aprendo veramente la strada a un possibile utilizzo in futuri device».
Gli isolanti topologici hanno costretto i fisici a rivedere e arricchire i fondamenti tradizionali della teoria a bande dei solidi, posti da Sommerfeld e Bloch agli inizi del Novecento. Ultimamente sono finiti sotto i riflettori per la connessione con il Premio Nobel per la Fisica 2016, assegnato agli scienziati britannici David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per le loro scoperte teoriche relative alle transizioni di fase topologiche, ossia a quei passaggi che avvengono da uno stato all’altro della materia e che necessitano di un nuovo paradigma di classificazione.
Gli studi dei tre scienziati hanno contribuito alla comprensione della materia nei suoi comportamenti quantistici più intimi, consentendo la ricerca di nuovi materiali, in particolare nel mondo dei superconduttori (materiali che non oppongono resistenza al passaggio dell’elettricità) e dei superfluidi (liquidi in cui non c’è attrito tra le molecole che li compongono). Hanno inoltre portato all’individuazione di alcune proprietà inaspettate che si osservano quando gli elettroni sono costretti a vivere confinati in una sottilissima pellicola (come in Flatland, lo straordinario racconto di Abbott) e, appunto, alla scoperta del gruppo di Würzburg.
“Science”, 09 Dec 2016, Vol. 354, Issue 6317, pp. 1269-1273 – DOI: 10.1126/science.aah6233
Robust spin-polarized midgap states at step edges of topological crystalline insulators
Paolo Sessi, Domenico Di Sante, Andrzej Szczerbakow, Florian Glott, Stefan Wilfert, Henrik Schmidt, Thomas Bathon, Piotr Dziawa, Martin Greiter, Titus Neupert, Giorgio Sangiovanni, Tomasz Story, Ronny Thomale and Matthias Bode
