In laboratorio, individuato il segnale di battimento nei nanofili topologici

Un campo magnetico attraversa un nanofilo di isolante topologico e gli elettroni che si muovono lungo il suo perimetro possono seguire percorsi diversi attorno al materiale. Ricercatori del Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) e del Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) hanno individuato l’origine del segnale di «battimento» prodotto da questi percorsi nei nanofili di seleniuro di bismuto drogato con antimonio.

Un isolante topologico, o TI, impedisce la conduzione elettrica al suo interno, consentendo però agli elettroni di muoversi lungo i bordi o sulla superficie esterna. Quando viene applicato un campo magnetico, le onde elettroniche interferiscono e creano oscillazioni di Aharonov-Bohm, o AB: la conduttanza del materiale cambia a intervalli regolari al variare dell’intensità del campo. Il fenomeno appena spiegato compare quando si sovrappongono due oscillazioni con periodi leggermente diversi.

I due contributi sono lo stato superficiale topologico, che trasporta gli elettroni sulla superficie del TI, e un gas elettronico bidimensionale (2DEG), uno strato in cui gli elettroni scorrono appena al di sotto di essa. Nei nanofili di seleniuro di bismuto drogato con antimonio, i due percorsi coprono aree trasversali leggermente diverse, producendo il ritmo variabile. Il team ha trovato prove dell’oscillazione aggiuntiva nei dati sulla conduttanza elettrica raccolti durante precedenti anni di ricerca sui TI.

Distinguere i due contributi era difficile con l’analisi convenzionale delle frequenze, soprattutto perché il fenomeno cambiava al variare della tensione di gate, la tensione di controllo utilizzata per regolare il materiale. Con l’aiuto di Song Taegeun, professore all’Università nazionale di Kongju, i ricercatori hanno utilizzato l’apprendimento automatico per separare le componenti delle oscillazioni sovrapposte. Bae Myung-Ho, ricercatore scientifico principale al KRISS, ha affermato che il risultato dimostra come l’interferenza quantistica possa coinvolgere sia stati elettronici ordinari sia stati topologici.

Che cosa cambia, in pratica? Per i futuri dispositivi quantistici topologici, il principio potrebbe migliorare l’interpretazione dei segnali e aiutare a ottenere gli stati elettronici desiderati. Per utilizzare esclusivamente lo stato topologico desiderato servono un controllo preciso del drogaggio e del gate, così da impedire l’intervento dello stato di conduzione ordinario. Il risultato resta uno studio di laboratorio sulla conduttanza dei nanofili; i ricercatori descrivono l’applicazione del principio alla progettazione dei dispositivi come una possibilità futura. I risultati sono stati pubblicati su Nano Letters.