Gli esperimenti mostrano che non sono necessari i bordi per realizzare un insolito effetto quantistico.

18 aprile 2023

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità dei contenuti:

• verifica dei fatti
• pubblicazione sottoposta a revisione paritaria
• fonte affidabile
• correzione di bozze

da RIKEN

I fisici del RIKEN hanno creato per la prima volta uno stato quantistico esotico in un dispositivo con una geometria a forma di disco, dimostrando che non sono necessari i bordi. Questa dimostrazione apre la strada alla realizzazione di altri nuovi comportamenti elettronici. I loro risultati sono pubblicati su Nature Physics. 

La fisica si è da tempo allontanata dai tre stati classici della materia: solido, liquido e gas. Una migliore comprensione teorica degli effetti quantistici nei cristalli e lo sviluppo di strumenti sperimentali avanzati per indagarli e misurarli ha rivelato una vasta gamma di stati esotici della materia.

Un esempio importante è l'isolante topologico: un tipo di solido cristallino che presenta proprietà radicalmente diverse sulla sua superficie rispetto al resto del materiale. La manifestazione più nota di questo è che gli isolanti topologici conducono l'elettricità sulla loro superficie ma sono isolanti al loro interno.

Un'altra manifestazione è l'effetto Hall anomalo quantistico.

Conosciuto da più di un secolo, l'effetto Hall convenzionale si verifica quando una corrente elettrica che fluisce attraverso un conduttore viene deviata da una linea retta da un campo magnetico applicato a angolo retto rispetto alla corrente. Questa deviazione produce una tensione attraverso il conduttore (e una resistenza elettrica corrispondente).

In alcuni materiali magnetici, questo fenomeno può verificarsi anche quando non è applicato un campo magnetico, ciò che si chiama effetto Hall anomalo.

'La resistenza anomala di Hall può diventare molto grande negli isolanti topologici,' spiega Minoru Kawamura del RIKEN Center for Emergent Matter Science. 'A basse temperature, la resistenza anomala di Hall aumenta e raggiunge un valore fondamentale, mentre la resistenza lungo la direzione della corrente diventa zero'. Questo è l'effetto Hall anomalo quantistico ed è stato osservato per la prima volta in laboratorio quasi dieci anni fa.

Ora, Kawamura e i suoi colleghi hanno dimostrato un effetto noto come pompaggio di carica di Laughlin in un isolante Hall anomalo quantistico.

Il team ha creato un disco a forma di ciambella fatto di strati di diversi isolanti topologici magnetici. Hanno quindi misurato come la corrente elettrica attraverso il dispositivo ha risposto a un campo magnetico alternato generato da elettrodi metallici sulle curve interne ed esterne della ciambella.

I ricercatori hanno osservato che questo campo ha portato all'accumulo di carica elettrica alle estremità del cilindro, ciò che è il pompaggio di carica di Laughlin.

Le precedenti dimostrazioni di isolanti Hall anomali quantistici utilizzavano dispositivi rettangolari che includevano i bordi che collegavano gli elettrodi. Si pensava che gli stati elettronici in questi bordi fossero fondamentali per sostenere l'isolante Hall anomalo quantistico.

Ma i risultati del team ribaltano questa assunzione. 'La nostra dimostrazione del pompaggio di carica di Laughlin in un isolante Hall anomalo quantistico utilizza un dispositivo a forma di disco senza canali di bordo che collegano i due elettrodi', afferma Kawamura. 'I nostri risultati aprono la possibilità che altri entusiasmanti fenomeni elettronici possano essere realizzati nei materiali di Hall anomalo quantistici.'

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

Fornito da RIKEN