Un nuovo metodo per controllare le proprietà elettroniche di un semimetallo di Weyl magnetico è stato sviluppato da un team di fisici del City College di New York (CCNY). Questo materiale presenta caratteristiche uniche in cui gli elettroni si comportano come fermioni di Weyl, particelle prive di massa con uno spin e un movimento interconnessi che conferiscono loro una distintiva “mano”. La tecnica innovativa sfrutta i cationi di idrogeno (H+) per regolare tali proprietà, aprendo nuove prospettive per materiali e tecnologie avanzate.
Secondo i ricercatori, questa scoperta potrebbe portare allo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici che sfruttano stati topologici unici per applicazioni come la nano-elettronica chirale e il calcolo quantistico a prova di errore. I fermioni di Weyl chirali sono particelle prive di massa proposte in fisica teorica e trovate come eccitazioni nei semimetalli di Weyl nella materia condensata. Questi materiali sono caratterizzati da attraversamenti speciali delle bande, noti come nodi di Weyl, che si presentano a coppie con mano opposta, legate all’allineamento dello spin con il momento della particella.
I nodi di Weyl sono topologicamente protetti e agiscono come sorgenti o pozzi di curvatura di Berry, un campo simile a quello magnetico nello spazio del momento. Questa peculiarità rende il comportamento dei fermioni di Weyl diverso da quello dei metalli convenzionali, consentendo fenomeni come l’anomalia chirale, dove la carica chirale è sbilanciata in determinate condizioni. Tuttavia, regolare queste dinamiche esotiche nei semimetalli di Weyl magnetici rimane una sfida complessa a causa delle loro texture di spin che possono influenzare in modo imprevisto il comportamento del materiale.
Nella loro ultima ricerca, il team ha presentato un metodo per regolare le proprietà topologiche nei semimetalli di Weyl ferromagnetici utilizzando l’idrogeno. Manipolando la presenza di idrogeno in MnSbTe, i ricercatori sono riusciti a trasformare la struttura a bande del materiale, generando nodi di Weyl fortemente inclinati. Questo approccio ha permesso di regolare con precisione i nodi di Weyl nel materiale, fissando difetti nei legami Mn-Te e riducendo lo scattering tra i nodi.
Il processo ha rivelato che le cariche elettriche si comportano in modo diverso a seconda della direzione di rotazione di un campo magnetico nel piano, creando correnti a bassa perdita di energia, ideali per applicazioni nell’elettronica efficiente. Gli stati di Weyl modificati hanno mostrato proprietà migliorate, come una temperatura di Curie raddoppiata e un interruttore chirale unico basato sulla curvatura di Berry topologica, sull’anomalia chirale e sui nodi di Weyl alterati dall’idrogeno.
Il professor Krusin-Elbaum della Divisione di Scienze del CCNY ha sottolineato che questo lavoro rappresenta un significativo avanzamento nell’ambito dei materiali quantistici topologici progettati, andando oltre la progettazione naturale. Le strutture a bande topologiche regolabili attraverso l’idrogeno o altri elementi leggeri ampliano le possibilità di esplorare e sfruttare fasi topologiche con comportamenti macroscopici sorprendenti, aprendo la strada a potenziali innovazioni basate sulla chiralità nei dispositivi quantistici futuri.
La ricerca si concentra sull’identificazione di nuovi fenomeni quantistici, come l’effetto Hall quantistico anomalo (QAH), la superconduttività 2D e gli stati di axioni con trasporto termico quantizzato, che potrebbero portare allo sviluppo di tecnologie efficienti dal punto di vista energetico. La tecnica dimostrata è estremamente versatile e potrebbe notevolmente potenziare le capacità dei magneti topologici intrinseci, aprendo la strada a progressi nell’elettronica quantistica futura. I dettagli di questa ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature.
