Particelle topologiche nella materia condensata
Gli isolanti topologici sono una classe di materiali straordinaria. Un aspetto affascinante è dato dal fatto che si comportano come isolanti all’interno della massa, ma conducono elettricità sulla superficie. Inoltre, in prossimità di un superconduttore, questi materiali mostrano eccitazioni che soddisfano statistiche non commutative, i cosiddetti fermioni di Majorana, che potrebbero essere utilizzati nell’informatica quantistica. I ricercatori impegnati nel progetto TOPOSPIN (Scanning tunneling spectroscopy of topological interfaces for future spintronics) hanno esplorato una varietà di isolanti topologici. Il loro scopo ultimo era quello di identificare sistemi di materia condensata in cui i fermioni di Majorana possano essere rilevati sui bordi esterni con un microscopio a effetto tunnel. I fermioni di Majorana si comportano simultaneamente come materia e antimateria. Le loro proprietà conflittuali rendono queste insolite particelle neutre e ne riducono l’interazione con l’ambiente. Questo “distacco” ha spinto i ricercatori del progetto TOPOSPIN a trovare il modo di ricreare fermioni Majorana sul bordo di un filo di un atomo di spessore, proprio dove si presume che si trovino. I ricercatori di TOPOSPIN hanno studiato le condizioni in cui una catena di atomi magnetici sulla superficie di un superconduttore può ospitare fermioni di Majorana. Uno dei sorprendenti risultati di questi studi teorici è rappresentato dal fatto che anche una catena breve costituita da sole alcune decine di atomi in un particolare intervallo energetico può comportarsi come un fermione di Majorana. Ancora più importante, i ricercatori sono riusciti a costruire un sistema fisico di atomi di ferro depositati sulla superficie di un cristallo di piombo ultrapuro. Dopo aver raffreddato il sistema a -272 °C, hanno confermato che la superconduttività nel cavo sottile dal punto di vista atomico corrispondeva alle condizioni necessarie per supportare un fermione di Majorana all’estremità del cavo. La microscopia a effetto tunnel ha inoltre permesso loro di studiare stati topologici della materia sui bordi dei doppi strati di bismuto. I ricercatori del progetto hanno dimostrato la struttura 1D degli elettroni che si propagano lungo il perimetro del sistema. Si prevede che questi sistemi topologici a basse dimensioni giocheranno un ruolo chiave nella realizzazione dei fermioni di Majorana. I risultati del progetto TOPOSPIN apriranno nuove strade per la ricerca del comportamento topologico isolante. Oltre al lavoro che ha implicazioni per la fisica della materia condensata, il progetto ha contribuito a stabilire una proficua collaborazione tra istituti di ricerca leader in Europa e negli Stati Uniti che è destinata a durare nel tempo.
Parole chiave
Materia condensata, isolanti topologici, informatica quantistica, fermioni di Majorana, scansione a effetto tunnel
