Un gruppo di ricercatori giapponesi è riuscito a realizzare un isolante topologico, in grado di condurre l'elettricità sulla sua superficie senza resistenza, in virtù dell'effetto Hall quantistico. Il prototipo potrebbe rappresentare la base per futuri dispositivi elettronici in cui la corrente può scorrere ad alta velocità e con un consumo di energia molto limitato(red)
I ricercatori del RIKEN Center for Emergent Matter Science di Saitama, in Giappone, hanno compiuto un notevole passo in avanti verso la realizzazione di dispositivi elettronici in grado di funzionare senza resistenza elettrica e quindi senza dissipazione di calore, mettendo a punto un isolante topologico tridimensionale in cui si manifesta un peculiare fenomeno quantistico: l'effetto Hall quantistico intero. Il lavoro è descritto sulle pagine di "Nature Communications".
Un isolante topologico è un materiale insolito che conduce l'elettricità solo sulle superfici, e in un modo assai peculiare: la corrente scorre virtualmente senza resistenza, come in un superconduttore. I portatori di carica sono infatti non i normali elettroni, ma i fermioni di Dirac, rappresentati da elettroni e lacune elettroniche privi di massa.
I ricercatori del RIKEN hanno superato queste limitazioni realizzando un isolante topologico tridimensionale a base di bismuto, antimonio e tellurio, riuscendo così a eliminare le impurità. Il materiale è stato poi collocato su un substrato semiconduttore di fosfuro di indio, mentre sul lato opposto sono stati fissati uno strato di ossido isolante e due elettrodi. In questo modo, hanno ottenuto un transistor a effetto di campo, un tipo di transistor molto utilizzato nell'elettronica digitale.
Grazie al transistor, hanno misurato la resistenza elettrica all'interno dell'isolante al variare dell'intensità del campo elettrico e in presenza di un campo magnetico costante. Le misure hanno mostrato che la resistenza tendeva a raggiungere valori costanti in corrispondenza di alcuni plateau, dimostrando così la presenza nel materiale dell'effetto Hall quantistico, cioè della versione quantistica dell'effetto Hall.
Quest'ultimo è dovuto alla produzione di una differenza di potenziale, denominata potenziale di Hall, tra le due facce opposte di un conduttore percorso da corrente. Il potenziale di Hall è il frutto del campo magnetico perpendicolare alla direzione della corrente. L'effetto Hall quantistico si manifesta a bassissime temperature, inferiori a 1 kelvin, e in presenza di un campo magnetico molto intenso. In queste condizioni, per alcuni valori del campo magnetico la corrente può scorrere senza dissipazione, come in un superconduttore.
Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che variando la differenza di potenziale esterna applicata al dispositivo, si passa dalla conduzione di corrente senza dissipazione dell'effetto Hall quantistico all'assenza di conduzione: il materiale passa quindi dall'essere un superconduttore all'essere un isolante.
"E' un risultato molto importante l'aver dimostrato un effetto così insolito in un isolate topologico, e abbiamo intenzione di continuare il nostro lavoro per mostrare in che modo i materiali possano essere regolati in modo fine per avere diverse proprietà elettroniche”, ha spiegato Ryutaro Yoshimi, che ha coordinato lo studio. “In futuro, questi risultati potrebbero consentire la creazione di componenti elettronici che combinano alta velocità di conduzione di corrente e basso consumo”.
