MATERIALI TOPOLOGICI
Una Nuova Dimensione Delle Proprietà E Delle Loro Straordinarie Applicazioni
La parola topologia si riferisce ai contorni di una superficie o alla forma di un oggetto. In matematica, la topologia classifica gli oggetti in base al numero di buchi che hanno. Una palla è una sfera senza buchi, mentre una ciambella, con il suo unico buco, è topologicamente diversa. La palla è topologicamente equivalente a una mela e una ciambella a una tazza, ma non a una palla o un pretzel, poiché il passaggio da una topologia all’altra richiederebbe un cambiamento radicale, come il praticarvi dei fori. Per questo motivo, gli stati topologici scoperti in alcuni materiali sono robusti e resistono ai cambiamenti della loro forma, a meno che questi non siano drammatici come quelli menzionati in precedenza.
I materiali topologici forniscono determinati stati elettronici che persistono nonostante una modifica alla loro forma fisica. Ciò che è importante non è la forma in sé ma la struttura delle sue bande elettroniche; regioni di distribuzione dell’energia elettronica specifiche per ogni materiale. La struttura della banda elettronica è l’impronta digitale di una struttura solida o cristallina. La regione energetica in cui gli elettroni possono fluire senza resistenza è chiamata Banda di Conduzione (tipicamente all’interno di materiali metallici), mentre se il materiale fosse allo zero assoluto, gli elettroni sarebbero confinati nella energeticamente inferiore Banda di Valenza, dove l’energia deve essere iniettata in ordine per permettere a questi elettroni di saltare nella Banda di Conduzione e fluire. Quindi, la Banda di Conduzione è il più basso intervallo di energie più vicino alla banda di Valenza. Maggiore è il divario tra le bande di conduzione e di valenza, più difficile è saltare il divario e i materiali in questa situazione sono chiamati isolanti.
Nei metalli, questi intervalli di energia si sovrappongono, quindi gli elettroni si muovono facilmente nella banda di conduzione, consentendo alla corrente di fluire. Gli isolanti hanno un ampio intervallo di banda, quindi gli elettroni non possono saltare dalla banda di valenza a quella di conduzione. I semiconduttori hanno un intervallo di banda minore, quindi la corrente può fluire se gli elettroni assorbono la giusta quantità di energia.
Nei materiali topologici, può esserci il caso in cui la maggior parte del materiale è isolante, mentre la superficie del materiale è conduttiva; in questo caso la fascia energetica è anche fisicamente situata in una particolare regione dello spazio, in modo tale da poter combinare proprietà elettriche di materiali differenti in un unico materiale e controllare la localizzazione di queste proprietà. Il tellururo di bismuto è un esempio e la sua struttura atomica è mostrata di seguito nella Figura 1.
Figura 1: il materiale topologico bismuto trisodico. Nero = Na e viola = Bi. Credito: James Collins / Arc Center of Excellence in Future Low Energy Electronics Technologies / Monash University
Questi strani effetti non sono interrotti da piccoli difetti in un cristallo; se c’è qualche danno sulla superficie, la corrente semplicemente scorre intorno ad esso, perché lo stato della superficie è molto stabile. Nemmeno un grave disturbo come un forte aumento della temperatura è sufficiente per modificare le proprietà topologiche.
Questa robustezza deriva da determinati stati elettronici stabili all’interno dei materiali, i quali tipicamente contengono metalli pesanti. Quando gli elettroni in una corrente colpiscono un difetto nel materiale, semplicemente fluiscono intorno ad esso, invece di essere dispersi o subire resistenza come nei conduttori tradizionali.
Gli isolanti topologici hanno ulteriori proprietà interessanti, ad esempio, la corrente potrebbe fluire solo in una direzione su una superficie, o anche ai bordi di una struttura cristallina, come quella ottenuta dai fisici dell’Università di Zurigo, con una nuova classe di materiali: gli isolanti topologici di ordine-superiore . La corrente elettrica scorre senza dissipazione sui bordi di questi solidi cristallini, mentre il resto del cristallo rimane isolante.
Schema di un isolante topologico di ordine superiore a forma di nanofilo, con canali conduttori sui bordi. Credito: UZH
Un’altra caratteristica delle proprietà topologiche, è che se il materiale fosse perfettamente malleabile, si potrebbe rimodellarlo in diverse forme topologiche equivalenti, senza cambiare quella proprietà topologica di base. Allo stesso modo, una ciambella potrebbe essere rimodellata in una tazza di caffè, con il foro della ciambella che diventa l’apertura nel manico della tazza.
Tutto quanto sopra apre una strada verso una diversa classificazione dei materiali seguendo le loro proprietà topologiche e rivelando nuove proprietà dei materiali che si credeva fossero ben comprese; quest’ultima si traduce in un’infinità di applicazioni nell’elettronica, nella catalisi e nell’informatica quantistica… E, forse anche la ridefinizione della tavola periodica. La tavola periodica classifica gli elementi rispetto alle loro proprietà di massa, quindi se arrivano nuove proprietà riguardo ai criteri topologici, forse sorgerà una nuova tavola periodica topologica.
Per sapere in anticipo se un materiale è topologico, i ricercatori stanno sviluppando un metodo basato sui suoi elementi costitutivi, sulla struttura cristallina e sulla posizione degli atomi.
Leggi di più su:
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The bizarre world of topological materials
Topological quantum chemistry
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A cura della Dott.ssa Inés Urdaneta, ricercatrice della Resonance Science Foundation
Fonte: www.resonancescience.org