Misurato l‘avvolgimento topologico degli elettroni nei materiali Kagome

L‘avvolgimento topologico degli elettroni nella materia, ovvero la curvatura dello spazio in cui essi vivono e si muovono, è stato misurato in una nuova classe di materiali, i Kagome, che devono il loro nome alla stretta somiglianza che hanno con la trama di fili di bamboo di un tradizionale cesto giapponese. Questi materiali stanno rivoluzionando la fisica quantistica grazie alle loro proprietà magnetiche, topologiche e superconduttive. 

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics, D. Di Sante et al. “Flat band separation and robust spin Berry curvature in bilayer kagome metals” ed è frutto di una collaborazione internazionale tra l’Università Ca’ Foscari Venezia, il CNR-IOM di Trieste, l‘Università di Bologna, la Statale di Milano, l'Università di Würzburg (Germania), l’Università di St. Andrews (UK), il Boston College e l’Università di Santa Barbara (Stati Uniti).

La nuova scoperta potrebbe favorire una più profonda conoscenza dei materiali quantistici, ovvero quei materiali in cui il comportamento collettivo degli elettroni che li compongono generano proprietà nuove, interpretabili solo con le leggi della meccanica quantistica, e che sono previsti aver applicazioni future in svariati campi tecnologici, dalle energie rinnovabili alla biomedicina, dall’elettronica ai computer quantistici.

“La nuova scoperta promette di rivoluzionare il modo in cui i materiali quantistici verranno studiati in futuro, aprendo le porte a nuovi sviluppi nelle tecnologie quantistiche - spiega Federico Mazzola, ricercatore di Fisica sperimentale presso il Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi, vincitore nel 2022 di una borsa PNNR su seal of excellence Marie Curie e uno dei coordinatori del gruppo di ricerca. - Si tratta di uno studio fondamentale che contribuirà a capire meccanismi alla base del funzionamento di dispositivi elettronici senza dissipazione. Il vantaggio è quello di aumentare performance e velocità, per esempio dei nostri cellulari, e, nel lungo periodo, di ridurre la produzione di Co2 grazie alla migliore prestazione energetica”. 

Grazie a tecniche sperimentali avanzate, che utilizzano la luce generata da un acceleratore di particelle, il Sincrotrone, e grazie a moderne tecniche di modellizzazione del comportamento della materia, si è potuto misurare per la prima volta l’avvolgimento degli elettroni, relativo al concetto di topologia. Così come una palla da calcio e una ciambella hanno proprietà topologiche differenti legate alle loro forme (la ciambella, per esempio, possiede un buco mentre il pallone da calcio no), il comportamento degli elettroni nei materiali è influenzato da certe proprietà quantistiche che ne determinano “l’avvolgimento”, in maniera simile a come la traiettoria della luce nell’universo è modificata dalla presenza di stelle, buchi neri, materia ed energia oscura, che piegano il tempo e lo spazio.

Nonostante questa particolare caratteristica degli elettroni si conosca già da molti anni, nessuno era stato finora in grado di misurare direttamente questo “avvolgimento topologico”. Sfruttando un effetto conosciuto come dicroismo circolare ‘di-croismo, dal greco, due colori’ , cioè sfruttando il fatto che i materiali assorbono la luce in modo diverso in funzione della sua polarizzazione, è stato possibile ottenere questa misura per la prima volta. 

Oltre all’utilizzo di questa particolare tecnica sperimentale utilizzabile solo presso una sorgente di Sincrotrone, è stata particolarmente rilevante la sinergia con l’analisi teorica. Infatti, i ricercatori teorici del team hanno impiegato sofisticate simulazioni quantistiche possibili esclusivamente grazie all’utilizzo di potenti supercalcolatori, guidando così i colleghi sperimentali verso la specifica zona delle proprietà elettroniche del materiale nella quale fosse stato possibile misurare l’effetto legato al dicroismo circolare.