Gli scienziati di Ames Laboratory hanno adottato un approccio paradossale, chiamata stabilizzazione dinamica, hanno applicato un campo elettrico terahertz per guidare le oscillazioni reticolari periodiche in un isolante topologico. Queste ulteriori fluttuazioni hanno effettivamente migliorato gli stati topologici protetti. Credits: Ames Laboratory

Introduzione

Gli scienziati dell’Ames Laboratory – Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti – hanno scoperto che l’applicazione del movimento vibrazionale in modo periodico può essere la chiave per prevenire le dissipazioni degli stati degli elettroni desiderati che renderebbero possibile l’informatica quantistica avanzata e la spintronica.

Stabilizzazione dinamica

Alcuni materiali topologici sono isolanti nella loro forma sfusa, ma possiedono un comportamento a conduzione elettrica sulle loro superfici. Mentre le differenze nel comportamento di questi elettroni di superficie sono ciò che rende questi materiali così promettenti per le applicazioni tecnologiche, presentano anche una sfida: le interazioni incontrollate tra gli elettroni di superficie e gli stati dei materiali sfusi possono causare la dispersione degli elettroni, portando alla cosiddetta “topological breakdown(scomposizione topologica). Non sono protetti da alcuna simmetria “spontanea“.

Gli isolanti topologici in grado di sostenere una corrente persistente bloccata da spin sulle loro superfici che non decade sono definite “simmetria protetta”, e questo stato è interessante per molteplici concetti rivoluzionari di dispositivi nell’informatica quantistica e nella spintronica“, ha affermato Jigang Wang, fisico del laboratorio Ames e professore della Iowa State University. “Ma la suddivisione topologica dovuta all’accoppiamento superficie-massa è un problema scientifico e ingegneristico di lunga data“.

Wang e i suoi colleghi ricercatori hanno adottato un approccio paradossale, chiamato stabilizzazione dinamica, applicando un campo elettrico terahertz per guidare le vibrazioni atomiche periodiche, cioè la coerenza vibrazionale, nel modello di isolante topologico bismuto-selenio Bi2Se3. Queste “fluttuazioni” extra hanno effettivamente migliorato gli stati topologici protetti, prolungando la vita delle eccitazioni elettroniche.

Come il pendolo di Kapitza

Un’analogia di tale stabilizzazione dinamica è il pendolo di Kapitza, dal nome del premio Nobel Peter Kapitza, dove si ottiene un orientamento invertito, ma stabile, imponendo una vibrazione ad alta frequenza del suo punto di articolazione. Analogamente, è possibile ottenere un’ulteriore stabilizzazione dinamica guidando i movimenti periodici quantistici del reticolo.

Dimostriamo la stabilizzazione dinamica in materia topologica come una nuova manopola di regolazione universale, che può essere utilizzata per rafforzare il trasporto quantistico protetto“, ha affermato Wang, che ritiene che la scoperta abbia conseguenze di vasta portata per l’uso di questi materiali in molte discipline scientifiche e tecnologiche, come le applicazioni di informazioni e comunicazioni quantistiche tolleranti ai disordini e l’elettronica quantistica basata su spin e ad onda luminosa.

La ricerca è ulteriormente discussa in un documento, Light Control of Surface-Coupling Coupling by Terahertz Vibrational Coherence in a Topulator Isolator“, scritto da X. Yang, L. Luo., C. Vaswani, X. Zhao, D. Cheng, Z. Liu, RHJ Kim, X. Liu, M. Dobrowolska, JK Furdyna, IE Perakis, CZ Wang, KM Ho e J. Wang; e pubblicato in npj Quantum Materials.

Lo sviluppo del campione è stato eseguito presso l’Università di Notre Dame; Alcuni calcoli e analisi sono stati eseguiti presso l’Università dell’Alabama, a Birmingham.

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