Una nuova ricerca sugli isolanti topologici potrebbe portare a computer quantici
Gli isolanti topologici sono una classe di materiali scoperti recentemente che si comportano come isolanti al loro interno, ma le cui superfici contengono stati conduttivi nelle interfaccia con altri isolanti. Gli stati superficiali degli isolanti topologici hanno un’interessante proprietà: la direzione del moto dell’elettrone è legata in modo intrinseco all’orientamento dello spin. Questi stati protetti condotti possono rompersi se gli elettroni capovolgono il loro spin. Un vantaggio di questo comportamento selettivo dello spin è che previene un fenomeno chiamato retrodiffusione. Le imperfezioni che normalmente rovinerebbero le proprietà elettroniche del materiale hanno pochi effetti. Le superfici topologiche però trattengono lo spin attuale senza dissipazione e proteggono dalla retrodiffusione a distanze di un paio di micron. I meccanismi di retrodiffusione su lunghe distanze che sono stati riferiti sul tellururo di mercurio (HgTe) non sono ancora chiari. Per aiutare in questo senso, gli scienziati hanno dato inizio al progetto MAGNETOP (Probing the effect of time reversal symmetry breaking by the application of a local magnetic field in topological insulators). Il lavoro è stato adattato per studiare gli effetti di piccoli campi magnetici sulla diffusione atmosferica, assicurandosi di distinguere i contributi tra le fluttuazioni del campo elettrico e i campi magnetici locali. Usando la microscopia a scansione di porta, il team ha sondato il trasporto e la diffusione dell’elettrone a pozzi quantici di HgTe. I risultati non solo permettono di capire meglio i meccanismi di diffusione negli stati di spin quantico di Hall, ma dimostrano anche come i margini interagiscono con i portatori nel materiale quando diventa conduttivo. Gli scienziati hanno studiato l’effetto di confinare i portatori in una cavità di Fabry-Pérot in pozzi quantici di HgTe. Sono state create giunzioni bipolari che associano l’effetto di voltaggio back-gate e top-gate. L’interferenza quantica derivante è stata rilevata nelle misurazioni di trasporto. I risultati dovrebbero fornire ulteriori informazioni sul ruolo del confinamento negli stati margine e della loro interazione con i portatori sia in assenza che in presenza di piccoli campi magnetici. Inoltre i risultati si possono usare per studiare l’interazione tra effetti Hall quantici ed effetti Hall quantici di spin in presenza di alti campi magnetici. Gli esperimenti condotti applicando la microscopia a scansione di impedenza di microonde su sottili campioni in alti campi magnetici hanno dimostrato una conduttività inaspettata ai margini. Questi risultati confutano le opinioni attuali secondo le quali gli alti campi magnetici rompono gli stati conduttivi protetti. La ricerca di MAGNETOP sul comportamento degli stati marginali nei campi magnetici dovrebbe aiutare a capire meglio i meccanismi di diffusione dell’elettrone. Manipolare i campi magnetici in tali stati è importante per i circuiti elettronici e i transistor del futuro. Tutti i risultati del progetto sono stati pubblicati su riviste sottoposte a revisione paritaria.
Parole chiave
Isolante topologico, computer quantici, campi magnetici, diffusione atmosferica, MAGNETOP, Hall quantico di spin
