Scatenare stati esotici della materia: RIKEN dimostra che i vantaggi non sono necessari

Da RIKEN5 giugno 2023

I fisici del RIKEN hanno dimostrato uno stato quantico unico chiamato effetto Hall anomalo quantistico in un dispositivo simile a un disco, dimostrando che gli stati limite non sono necessari per questo processo. Il team ha dimostrato il pompaggio di carica di Laughlin in un isolante Hall quantistico anomalo utilizzando un disco stratificato a forma di ciambella composto da diversi isolanti topologici magnetici. Questa scoperta espande il potenziale per scoprire ulteriori nuovi fenomeni elettronici in tali materiali.

Contrariamente alle aspettative, gli esperimenti dimostrano che i bordi non sono necessari per realizzare un insolito effetto quantistico.

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

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

Un esempio lampante di ciò è l’isolante topologico: una sorta di solido cristallino che presenta proprietà molto diverse sulle sue superfici rispetto al resto del materiale. La manifestazione più nota di ciò è che gli isolanti topologici conducono l'elettricità sulla loro superficie ma sono isolanti all'interno.

Un'altra manifestazione è il cosiddetto “effetto Hall anomalo quantistico”.

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

Figura 1: La struttura a ciambella del dispositivo utilizzato negli esperimenti che dimostrano il pompaggio di carica di Laughlin in un dispositivo senza bordi. Credito: © 2023 RIKEN Centro per la scienza della materia emergente

In alcuni materiali magnetici questo fenomeno può verificarsi anche quando non viene applicato un campo magnetico, fenomeno chiamato effetto Hall anomalo.

“La resistenza di Hall anomala può diventare molto elevata negli isolanti topologici”, spiega Minoru Kawamura del RIKEN Center for Emergent Matter Science. “Alle basse temperature la resistenza di Hall anomala 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 quantistico di Hall anomalo.

Il team ha fabbricato un disco a forma di ciambella composto da strati di diversi isolanti topologici magnetici (Fig. 1). Hanno poi misurato il modo in cui la corrente elettrica attraverso il dispositivo rispondeva a un campo magnetico alternato generato da elettrodi metallici sulle curve interna ed esterna della ciambella.

I ricercatori hanno osservato che questo campo portava all’accumulo di carica elettrica alle estremità del cilindro. Questo è il pompaggio di carica di Laughlin.

Precedenti dimostrazioni di isolanti Hall anomali quantistici utilizzavano dispositivi rettangolari che includevano bordi che collegavano gli elettrodi. E si pensava che gli stati elettronici in questi bordi fossero cruciali per supportare l’isolante quantistico anomalo di Hall.

Ma la scoperta del team ribalta questa ipotesi. "La nostra dimostrazione del pompaggio di carica di Laughlin in un isolante Hall quantistico anomalo utilizza un dispositivo a forma di disco senza canali laterali che collegano i due elettrodi", afferma Kawamura. “Il nostro risultato aumenta la possibilità che altri interessanti fenomeni elettronici possano essere realizzati in materiali Hall quantistici anomali”.

Reference: “Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator” by Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki and Yoshinori Tokura, 19 January 2023, Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2/p>