Roma – I semimetalli topologici chirali, una nuova classe di materiali scoperti al PSI nel 2019, possiedono proprietà che li rendono una potenziale alternativa ad alta efficienza energetica all’elettronica tradizionale. Lo rivela uno studio condotto da un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati dell’Istituto Paul Scherrer PSI e degli Istituti Max Planck di Halle e Dresda in Germania, riportato su Nature Physics. Secondo i ricercatori, si tratta di una scelta estremamente pratica per generare flussi del momento angolare orbitale, OAM, degli elettroni che orbitano attorno al loro nucleo atomico: un campo emergente noto come orbitronica. I monopoli a momento angolare orbitale sono stati oggetto di grande interesse teorico in quanto offrono grandi vantaggi pratici per il campo emergente dell’orbitronica, Ora, grazie a una combinazione di solida teoria ed esperimenti condotti presso la Sorgente di luce svizzera, SLS, dell’Istituto Paul Scherrer PSI, è stata dimostrata la loro esistenza. Mentre l’elettronica utilizza la carica dell’elettrone per trasferire informazioni, la tecnologia del futuro con un minore impatto ambientale potrebbe utilizzare un’altra proprietà degli elettroni per elaborare le informazioni. Fino a poco tempo fa, il principale concorrente per un diverso tipo di ‘tronica’ è stata la spintronica. In questo caso, la proprietà utilizzata per trasferire le informazioni è lo spin dell’elettrone. I ricercatori stanno anche esplorando la possibilità che questo campo poterebbe essere promettente per i dispositivi di memoria, in particolare perché una grande magnetizzazione potrebbe essere generata con correnti di carica relativamente piccole, portando a dispositivi efficienti dal punto di vista energetico. Nella ricerca di materiali adatti all’orbitronica, sono già stati fatti passi avanti utilizzando materiali convenzionali, come il titanio. Tuttavia, dalla loro scoperta cinque anni fa, i semimetalli topologici chirali sono diventati un intrigante concorrente. Questi materiali possiedono una struttura atomica elicoidale, che conferisce una naturale “maneggevolezza” come la doppia elica del DNA e che potrebbe naturalmente dotarli di modelli o strutture di OAM che ne consentono il flusso. “Questo offre un vantaggio significativo rispetto ad altri materiali, perché non è necessario applicare stimoli esterni per ottenere le strutture OAM: sono una proprietà intrinseca del materiale”, ha detto Michael Schüler, capogruppo del Centro per il calcolo scientifico, la teoria e i dati del PSI e professore assistente di fisica all’Università di Friburgo, che ha guidato il recente studio. “Questo potrebbe facilitare la creazione di correnti stabili ed efficienti di OAM senza bisogno di condizioni particolari”, ha continuato Schüler. Vi ‘è una particolare struttura OAM, ipotizzata nei semimetalli topologici chirali, che ha affascinato i ricercatori: i monopoli OAM. In questi monopoli, l’OAM si irradia verso l’esterno da un punto centrale come le punte di un riccio spaventato e raggomitolato in una palla. Il motivo per cui questi monopoli sono così allettanti è che l’OAM è uniforme in tutte le direzioni, cioè è isotropo. “Questa è una proprietà molto utile, perché significa che si possono generare flussi di OAM in qualsiasi direzione”, ha affermato Schüler. Tuttavia, nonostante l’attrattiva dei monopoli OAM per l’orbitronica, fino a quest’ultimo studio sono rimasti un sogno teorico. Per osservarli sperimentalmente, i ricercatori hanno riposto la propria speranza in una tecnica nota come Circular Dichroism in Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, o CD-ARPES, che utilizza raggi X polarizzati circolarmente da una sorgente di luce di sincrotrone. Tuttavia, in passato, il divario tra teoria ed esperimento ha impedito ai ricercatori di interpretare i dati. “I ricercatori potevano avere i dati, ma l’evidenza dei monopoli OAM era sepolta in essi”, ha spiegato Schüler. In ARPES, la luce brilla su un materiale, espellendo elettroni. Gli angoli e le energie di questi elettroni espulsi rivelano informazioni sulla struttura elettronica del materiale. In CD-ARPES, la luce incidente è polarizzata circolarmente. “Un presupposto naturale è che se si utilizza la luce polarizzata circolarmente, si misura qualcosa che è direttamente proporzionale agli OAM”, ha evidenziato Schüler. “Il problema è che, come dimostriamo nel nostro studio, si tratta di un’ipotesi un po’ ingenua, in quanto in realtà, la situazione è più complessa”, ha precisato Schüler. Nel loro studio, Schüler e colleghi hanno esaminato due tipi di semimetalli topologici chirali presso la Swiss Light Source SLS: quelli fatti di palladio e gallio o di platino e gallio. Determinato a rivelare le strutture OAM nascoste nella complessa rete di dati CD-ARPES, il gruppo di ricerca ha messo in discussione ogni ipotesi con una teoria rigorosa. Poi ha compiuto un’insolita e cruciale fase sperimentale supplementare, variando le energie dei fotoni. “All’inizio i dati non avevano senso: il segnale sembrava cambiare dappertutto”, ha raccontato Schüler. Analizzando meticolosamente come i diversi contributi complicassero i calcoli dell’OAM dai dati CD-ARPES, gli scienziati hanno rilevato che il segnale CD-ARPES non era direttamente proporzionale all’OAM, come si credeva in precedenza, ma ruotava intorno ai monopoli al variare dell’energia dei fotoni. In questo modo, hanno colmato il divario tra teoria ed esperimento e dimostrato la presenza dei monopoli OAM. Grazie alla capacità di visualizzare con precisione i monopoli OAM, Schüler e colleghi hanno poi dimostrato che la polarità del monopolo, se i picchi degli OAM puntano verso l’interno o verso l’esterno, può essere invertita utilizzando un cristallo con una chiralità speculare. “Si tratta di una proprietà molto utile, perché potenzialmente si potrebbero creare dispositivi orbitronici con una diversa direzionalità”, ha specificato Schüler. “Ora, con la teoria e l’esperimento finalmente uniti, la comunità di ricerca ha i mezzi per esplorare le strutture OAM in una varietà di materiali e ottimizzare le loro applicazioni per l’orbitronica”, ha concluso Schüler. (30Science.com)
