La corrente prende un percorso sorprendente nella materia quantistica

I ricercatori della Cornell University hanno utilizzato l’imaging magnetico per ottenere la prima visualizzazione diretta di come gli elettroni fluiscono in un tipo speciale di isolante e, così facendo, hanno scoperto che la corrente di trasporto si muove attraverso l’interno del materiale, piuttosto che ai bordi, come gli scienziati avevano da tempo osservato. presunto.

La scoperta fornisce nuove informazioni sul comportamento degli elettroni nei cosiddetti isolanti Hall quantistici anomali e dovrebbe aiutare a risolvere un dibattito decennale su come la corrente scorre negli isolanti Hall quantistici più generali. Queste intuizioni contribuiranno allo sviluppo di materiali topologici per i dispositivi quantistici di prossima generazione.

L'articolo del team, "Visualizzazione diretta del trasporto elettronico in un isolante di sala anomala quantistica", è stato pubblicato il 3 agosto su Nature Materials. L'autore principale è Matt Ferguson, Ph.D. '22, attualmente ricercatore post-dottorato presso l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi in Germania.

Il progetto, guidato da Katja Nowack, assistente professore di fisica al College of Arts and Sciences e autore senior dell'articolo, ha le sue origini in quello che è noto come effetto Hall quantistico. Scoperto per la prima volta nel 1980, questo effetto si verifica quando un campo magnetico viene applicato a un materiale specifico per innescare un fenomeno insolito: l'interno del campione globale diventa un isolante mentre una corrente elettrica si muove in un'unica direzione lungo il bordo esterno. Le resistenze sono quantizzate, o limitate, a un valore definito dalla costante universale fondamentale e scendono a zero.

Un isolante Hall quantistico anomalo, scoperto per la prima volta nel 2013, ottiene lo stesso effetto utilizzando un materiale magnetizzato. La quantizzazione avviene ancora e la resistenza longitudinale svanisce, e gli elettroni sfrecciano lungo il bordo senza dissipare energia, un po' come un superconduttore.

Almeno questa è la concezione popolare.

“L’immagine in cui la corrente scorre lungo i bordi può davvero spiegare bene come si ottiene quella quantizzazione. Ma si scopre che non è l'unica immagine che può spiegare la quantizzazione", ha detto Nowack. “Questo quadro limite è stato davvero quello dominante sin dalla spettacolare ascesa degli isolanti topologici iniziata nei primi anni 2000. La complessità delle tensioni e delle correnti locali è stata in gran parte dimenticata. In realtà, questi possono essere molto più complicati di quanto suggerisca l’immagine dei bordi”.

Solo una manciata di materiali sono noti per essere isolanti Hall anomali quantistici. Per il loro nuovo lavoro, il gruppo di Nowack si è concentrato sul tellururo di antimonio di bismuto drogato con cromo, lo stesso composto in cui l'effetto Hall anomalo quantistico è stato osservato per la prima volta dieci anni fa.

Il campione è stato coltivato da collaboratori guidati dal professore di fisica Nitin Samarth della Pennsylvania State University. Per scansionare il materiale, Nowack e Ferguson hanno utilizzato il dispositivo superconduttore di interferenza quantistica del loro laboratorio, o SQUID, un sensore di campo magnetico estremamente sensibile che può funzionare a basse temperature per rilevare campi magnetici minuscoli. Lo SQUID immagina efficacemente i flussi di corrente – che sono ciò che genera il campo magnetico – e le immagini vengono combinate per ricostruire la densità di corrente.

"Le correnti che stiamo studiando sono davvero, davvero piccole, quindi è una misurazione difficile", ha detto Nowack. “E dovevamo scendere al di sotto di un Kelvin di temperatura per ottenere una buona quantizzazione nel campione. Sono orgoglioso di avercela fatta”.

Quando i ricercatori hanno notato che gli elettroni scorrevano nella maggior parte del materiale, e non lungo i bordi, hanno iniziato a scavare in vecchi studi. Hanno scoperto che negli anni successivi alla scoperta originale dell’effetto Hall quantistico nel 1980, ci fu un grande dibattito su dove si verificasse il flusso – una controversia sconosciuta alla maggior parte degli scienziati dei materiali più giovani, ha detto Nowack.

“Spero che la nuova generazione che lavora sui materiali topologici prenda atto di questo lavoro e riapra il dibattito. È chiaro che non comprendiamo nemmeno alcuni aspetti fondamentali di ciò che accade nei materiali topologici", ha affermato. "Se non capiamo come scorre la corrente, cosa capiamo effettivamente di questi materiali?"