La firma geometrica dei materiali del futuro: la ricerca italiana osserva il tensore metrico quantistico

ROMA\ aise\ - Un significativo avanzamento nella fisica dei materiali quantistici è stato conseguito grazie ad una collaborazione internazionale che vede protagonisti il Cnr-Imm di Agrate Brianza, il Cnr-Spin di Salerno e l'Università di Salerno. La ricerca, guidata dall’Università di Ginevra (UNIGE) in collaborazione con l'Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona (ICMAB), è pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Materials e documenta la prima osservazione delle proprietà di geometria quantistica negli isolanti topologici.
La verifica sperimentale di tali fenomeni si è resa possibile grazie all'eccellenza tecnologica del CNR-IMM Unità di Agrate Brianza che, con il coordinamento di Roberto Mantovan conduce dal 2018 attività di ricerca focalizzate sullo sviluppo di isolanti topologici per applicazioni nella spintronica. In particolare, oggetto dello studio, è l’isolante topologico tridimensionale ad alta purezza Sb2Te3, già mostrato particolarmente efficiente in dispositivi di conversione tra correnti di puro spin e correnti di carica, e che ha rappresentato un fattore abilitante per la realizzazione dei materiali oggetto del presente studio.
Il quadro interpretativo e la guida modellistica dello studio poggiano sulle riconosciute competenze d’avanguardia nel campo dei fenomeni di trasporto non lineari e della geometria quantistica del polo teorico di Salerno. Il gruppo di ricerca – guidato dal prof. Carmine Ortix e composto dalla prof.ssa Maria Teresa Mercaldo (Dipartimento di Fisica "E.R. Caianiello" dell’Università di Salerno) e dal dott. Mario Cuoco (Cnr-Spin. Unità di Salerno) – ha svolto un ruolo pionieristico formulando la predizione teorica secondo cui la conducibilità elettrica in questa classe di materiali è governata da una specifica proprietà geometrica degli stati topologici: il tensore metrico quantistico.
Gli isolanti topologici sono materiali che si comportano come isolanti all'interno, ma presentano correnti elettroniche protette sulla loro superficie esterna. Mentre gli studi precedenti si erano concentrati prevalentemente sulla cosiddetta curvatura di Berry, questa ricerca ha dimostrato che, applicando un campo magnetico nel composto Sb2Te3, è possibile attivare e misurare una risposta elettrica non lineare direttamente connessa al tensore metrico quantistico. Questa magnetoresistenza, che si mantiene indipendente dalla variazione di temperatura, si configura come uno strumento diagnostico per mappare con precisione le caratteristiche dei coni di Dirac sulla superficie del materiale, definendo nuovi parametri per lo sviluppo di futuri dispositivi nel campo della spintronica e delle tecnologie quantistiche. (aise)