Grafene, i fisici stanno studiando per progettare un isolante topologico

Nel 2005, i fisici della materia condensata Charles Kane ed Eugene Mele hanno considerato il destino del grafene a basse temperature. Il loro lavoro portò alla scoperta di un nuovo stato della materia soprannominato “isolante topologico”, che avrebbe inaugurato una nuova era della scienza dei materiali.

“Un isolante topologico è un materiale che è un isolante al suo interno, ma è altamente conduttore sulla sua superficie”, ha detto il professore di fisica della Santa Barbara, Andrea Young. In due dimensioni, un isolante topologico ideale avrebbe una conduttanza “balistica” ai suoi bordi, ha spiegato Young, il che significa che gli elettroni che viaggiano attraverso la regione incontrerebbero resistenza zero.

In arrivo un isolante topologico di grafene?

In queste settimane, nel lavoro pubblicato sulla rivista Nature, Island, Young e i loro collaboratori hanno trovato un modo per trasformare il grafene in un isolante topologico (TI). “L’obiettivo del progetto era aumentare o migliorare l’accoppiamento spin-orbita nel grafene”, ha detto l’autore principale Island, aggiungendo che sono stati fatti tentativi nel corso degli anni con scarso successo. “Un modo per farlo è quello di mettere un materiale che abbia un accoppiamento spin-orbita molto grande in stretta prossimità con il grafene, con la speranza che facendo in modo che i tuoi elettroni di grafene assumano questa proprietà del materiale sottostante”, ha spiegato.

Il materiale di scelta? Dopo aver studiato diverse possibilità, i ricercatori hanno optato per un dichalcogenide di metallo di transizione (TMD), costituito dal tungsteno di metallo di transizione e dal selenio di calcio. Simile al grafene, il diseleniuro di tungsteno si presenta in monostrati bidimensionali, legati tra loro da forze di van der Waals, che sono interazioni relativamente deboli e dipendenti dalla distanza tra atomi o molecole. A differenza del grafene, tuttavia, gli atomi più pesanti della TMD portano a un accoppiamento spin-orbita più forte. La risultante caratteristica del dispositivo è la conduttanza di elettroni balistici del grafene permeata dal forte accoppiamento spin-orbita dal vicino strato TMD.

“Abbiamo visto un miglioramento molto chiaro di questo accoppiamento spin-orbita”, ha detto Island. Aggiungendo l’accoppiamento spin-orbita del tipo giusto, Joshua è stato in grado di scoprire che questo in effetti porta a una nuova fase che è quasi isolante topologicamente”, ha detto Young.