Una tavola periodica per materiali topologici

Cos'è un materiale topologico?

I materiali topologici più interessanti sono gli isolanti topologici, che sono materiali che sono isolanti nella maggior parte, ma conduttori in superficie. In questi materiali, i canali conduttori in cui scorre la corrente elettronica sono molto robusti. Persistono indipendentemente da alcuni disturbi esterni che si possono avere negli esperimenti, come un debole disordine o le fluttuazioni della temperatura, e sono anche indipendenti dalla dimensione. Questo è molto interessante perché significa che questi materiali hanno una resistenza costante, una conduttività costante. Avere un controllo così stretto della corrente elettronica è utile per molte applicazioni.

Quali sono alcuni esempi di isolanti topologici?

L'esempio più noto è probabilmente l'arseniuro di gallio, che è un semiconduttore bidimensionale spesso utilizzato negli esperimenti sull'effetto Hall quantistico intero. Nella nuova generazione di isolanti topologici, il più noto è il seleniuro di bismuto, ma questo non ha ottenuto la stessa attenzione diffusa.

Perché tu e i tuoi colleghi avete deciso di cercare nuovi materiali topologici?

All’epoca ce n’erano solo pochi sul mercato e abbiamo pensato: “Ok, se riusciamo a sviluppare un metodo in grado di calcolare o diagnosticare rapidamente la topologia, possiamo vedere se ci sono materiali con proprietà più ottimizzate”.

Un esempio di proprietà ottimizzata è il gap di banda elettronica. Il fatto che questi materiali siano isolanti nella massa significa che nella massa esiste un intervallo di energie attraverso il quale gli elettroni non possono passare. Questo intervallo di energia “proibito” è il gap di banda elettronica e gli elettroni non possono viaggiare in quella regione anche se possono esistere sulla superficie del materiale. Maggiore è la banda proibita elettronica del materiale, migliore sarà l’isolante topologico.

Come hai proceduto alla ricerca di nuovi materiali topologici?

Abbiamo sviluppato un algoritmo basato sulle simmetrie cristalline di un materiale, cosa che prima non veniva presa in considerazione. La simmetria del cristallo è molto importante quando si ha a che fare con la topologia perché alcuni materiali topologici e alcune fasi topologiche necessitano di una particolare simmetria (o mancanza di simmetria) per esistere. Ad esempio, l’effetto Hall quantistico intero non ha bisogno di alcuna simmetria, ma ha bisogno che una simmetria venga rotta, ovvero la simmetria di inversione temporale. Ciò significa che il materiale deve essere magnetico oppure abbiamo bisogno di un campo magnetico esterno molto ampio.

Ma altre fasi topologiche necessitano di simmetrie e siamo riusciti a identificare quali simmetrie fossero. Quindi, una volta identificate tutte le simmetrie, potremmo classificarle, perché alla fine, questo è ciò che fanno i fisici. Classifichiamo le cose.

Abbiamo iniziato a lavorare sulla formulazione teorica nel 2017 e, due anni dopo, abbiamo pubblicato il primo articolo relativo a questa formulazione teorica. Ma è solo ora che abbiamo finalmente completato tutto e pubblicato.

Chi sono stati i tuoi collaboratori in questo sforzo e come ha contribuito ciascuno?

Ho progettato (e, in parte, eseguito) i calcoli dei principi primi in cui abbiamo considerato come simulare materiali reali e “diagnosticare” se avevano proprietà topologiche. Per questo abbiamo utilizzato codici all’avanguardia e codici fatti in casa che ci dicono come si comportano gli elettroni del materiale e come possiamo classificare le proprietà topologiche del materiale. La formulazione teorica e l'analisi sono state effettuate da Benjamin Wieder e Luis Elcoro perché sono fisici teorici più hardcore. Hanno aiutato ad analizzare e classificare le fasi topologiche. Un altro collaboratore molto importante e il protagonista di questo progetto è stato Nicola Regnault; abbiamo realizzato insieme il sito web e ci siamo occupati della progettazione del sito web e del database.

Abbiamo anche ricevuto aiuto da Stuart Parkin ed Claudia Felser. Sono esperti di materiali, quindi potrebbero darci consigli sull'idoneità o meno di un materiale. Poi Andrej Bernevig era il coordinatore di tutto. Lavoriamo insieme già da diversi anni.

E cosa hai trovato?

Ciò che abbiamo scoperto è che esistono moltissimi materiali che hanno proprietà topologiche, decine di migliaia.

Sei rimasto sorpreso dal numero?

SÌ. Molto!

Considerando quanto si siano rivelate onnipresenti queste proprietà topologiche, sembra quasi sorprendente che tu sia rimasto sorpreso. Perché nessuno se ne era accorto prima?

Non so perché la comunità se ne sia accorta del tutto, ma non è stata solo la nostra comunità nel campo della scienza dei materiali e della fisica della materia condensata a non notarla. La meccanica quantistica esiste già da un secolo e queste proprietà topologiche sono sottili, ma non molto complesse. Eppure tutti gli intelligenti “padri” della meccanica quantistica hanno completamente mancato questa formulazione teorica.

Qualcuno ha provato a sintetizzare questi materiali e a verificare se si comportano effettivamente come isolanti topologici?

Naturalmente non tutti sono stati controllati, perché ce ne sono così tanti. Ma alcuni di loro lo hanno fatto. Ci sono nuovi materiali topologici che sono stati creati sperimentalmente in seguito a questo lavoro, come l'isolante topologico di ordine elevato Bi4Br4.

I Database dei materiali topologici tu e i tuoi colleghi avete costruito è stata descritta come “una tavola periodica per materiali topologici”. Quali proprietà determinano la sua struttura?

Le proprietà topologiche sono legate alla corrente elettronica, che è una proprietà globale del materiale. Uno dei motivi per cui i fisici potrebbero non aver pensato prima alla topologia è che erano molto concentrati sulle proprietà locali, piuttosto che su quelle globali. Quindi, in questo senso, la proprietà importante è legata alla localizzazione della carica e al modo in cui questa viene definita nello spazio reale.

Ciò che abbiamo scoperto è che se conosciamo le simmetrie cristalline del materiale, possiamo anticipare quale sarà il comportamento o il flusso della carica. Ed è così che potremmo classificare le fasi topologiche.

Come funziona il Database dei Materiali Topologici? Cosa fanno i ricercatori quando lo usano?

Innanzitutto, inseriscono la formula chimica del materiale. Ad esempio, se sei interessato al sale, la formula è cloruro di sodio. Quindi inserisci NaCl nel database e fai clic su, quindi verranno visualizzate tutte le proprietà. È molto semplice.

Aspetta, stai dicendo che il comune sale da cucina è un materiale topologico?

Sì.

Davvero?

Sì.

È stupefacente. Oltre a sorprendere le persone con le proprietà topologiche dei materiali familiari, quale impatto speri che il tuo database abbia sul campo?

Spero che aiuterà gli sperimentali a capire quali materiali dovrebbero coltivare. Ora che abbiamo analizzato l’intero spettro di tutte le proprietà dei materiali, gli sperimentali dovrebbero essere in grado di dire: “Okay, questo materiale è in un regime di trasporto di elettroni che sappiamo non è buono, ma se lo drogamo con alcuni elettroni, allora lo faremo”. raggiungere un regime molto interessante”. Quindi speriamo, in un certo senso, che possa aiutare gli sperimentali a trovare buoni materiali.

Recentemente è stata prestata molta attenzione ai materiali topologici a causa di un possibile collegamento con l’informatica quantistica. È una grande motivazione nel tuo lavoro?

È correlato, ma ogni campo ha rami diversi e direi che il nostro lavoro è in un ramo diverso. Naturalmente, è necessario un materiale topologico come piattaforma per sviluppare un computer quantistico topologico utilizzando uno qualsiasi dei possibili qubit (bit quantici) proposti, quindi ciò che abbiamo fatto è importante a questo scopo. Ma lo sviluppo di un computer quantistico topologico richiederà molto più lavoro sulla progettazione dei materiali perché la dimensione del materiale gioca un ruolo importante. Stavamo esaminando le tre dimensioni e potrebbe essere che per le piattaforme di calcolo quantistico dovremmo concentrarci sui sistemi 2D.

Ci sono altre applicazioni, però. Potresti utilizzare il database per trovare materiali, ad esempio, per celle solari o per catalisi, rilevatori o dispositivi elettronici a bassa dissipazione. Oltre alle applicazioni super esotiche, anche queste possibilità quotidiane sono molto importanti. Ma la nostra vera motivazione per il lavoro era comprendere la fisica della topologia.

Ubiquità di materiali topologici rivelata in cataloghi contenenti migliaia di sostanze

Qual è il futuro per te e i tuoi collaboratori?

Mi piacerebbe fare ricerca sui materiali organici. L'attenzione nel database attuale è sui materiali inorganici perché abbiamo preso il database delle strutture cristalline inorganiche come punto di partenza, ma anche i materiali organici sono molto interessanti. Mi piacerebbe anche indagare su più materiali magnetici, perché nel database sono riportati meno materiali magnetici rispetto a quelli non magnetici. E poi voglio esaminare i materiali che hanno simmetrie chirali – cioè sono simmetrici, ma “consegnati” nel senso che hanno una versione sinistra e una versione destra.

Pensi che potrebbero esserci migliaia di altri materiali topologici là fuori tra i materiali organici o magnetici?

Non lo so. Dipende dalla dimensione del gap di banda elettronica. Vedremo!