In un importante passo avanti per un’area di ricerca che ha ottenuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2016, un team internazionale ha scoperto quali sostanze con comportamenti elettronici esotici, chiamate materiali topologici, sono piuttosto comuni. Tra questi vi sono elementi di uso abbastanza comune come l’arsenico e l’oro. Il team ha creato un catalogo online per semplificare la progettazione di nuovi materiali topologici utilizzando elementi della tavola periodica.

Questi materiali hanno proprietà inaspettate e strane che hanno spostato la comprensione degli scienziati su come si comportano gli elettroni. I ricercatori sperano che queste sostanze possano costituire la base delle tecnologie del futuro, come i dispositivi a bassa potenza e l’informatica quantistica. “Una volta che l’analisi è stata eseguita e tutti gli errori corretti, il risultato è stato sorprendente: più di un quarto di tutti i materiali presenta una sorta di topologia“, ha detto B. Andrei Bernevig, autore senior dello studio e professore di fisica a Princeton. “La topologia è onnipresente nei materiali“.

I materiali topologici sono intriganti perché le loro superfici possono condurre elettricità senza resistenza, quindi sono potenzialmente più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tecnologie odierne. Il loro nome deriva da una teoria sottostante che si basa sulla topologia, una branca della matematica che descrive gli oggetti in base alla loro capacità di essere allungati o piegati.

L’inizio della comprensione teorica di questi stati della materia ha costituito la base del Premio Nobel per la fisica 2016.

Il database dei materiali topologici consentirà agli utenti di selezionare elementi dalla tavola periodica per creare un composto che possa essere esplorato per le sue proprietà topologiche. Fino ad ora, solo poche centinaia degli oltre 200.000 materiali cristallini inorganici conosciuti erano stati caratterizzati come topologici e si pensava che fossero anomalie.

Una volta completato, questo catalogo inaugurerà una nuova era di progettazione dei materiali topologici“, ha detto Bernevig. “Questo è l’inizio di un nuovo tipo di tavola periodica in cui i composti e gli elementi sono indicizzati dalle loro proprietà topologiche piuttosto che dai mezzi più tradizionali“.

Il team internazionale comprendeva ricercatori di Princeton; il Centro internazionale di fisica di Donostia a San Sebastian, in Spagna; la IKERBASQUE Basque Foundation for Science; l’Università dei Paesi Baschi; Ecole Normale Superieure Parigi e il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica e l’Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi.

Il team ha studiato circa 25.000 materiali inorganici le cui strutture atomiche sono conosciute sperimentalmente con precisione e classificate nel database delle strutture dei cristalli inorganici. I risultati mostrano che piuttosto che essere rari, oltre il 27% dei materiali in natura sono topologici.

Il database appena creato consente ai visitatori di selezionare elementi dalla tavola periodica per creare composti che l’utente può quindi esplorare per le sue proprietà topologiche. Altri materiali sono attualmente in fase di analisi e verranno inseriti in un database per future pubblicazioni.

Due fattori hanno permesso il complesso compito di classificare topologicamente i 25.000 composti.

In primo luogo, due anni fa, alcuni degli autori hanno sviluppato una teoria, nota come chimica quantistica topologica e pubblicata su Nature nel 2017, che consentiva la classificazione delle proprietà topologiche di qualsiasi materiale dalla semplice conoscenza delle posizioni e della natura del suo atomi.

In secondo luogo, nel presente studio, il team ha applicato questa teoria ai composti nel database delle strutture dei cristalli inorganici. In tal modo, gli autori hanno ideato, scritto e modificato un gran numero di istruzioni computerizzate per calcolare le energie degli elettroni nei materiali.

Dovevamo entrare in questi vecchi programmi e aggiungere nuovi moduli che per calcolare le proprietà elettroniche richieste“, ha detto Zhijun Wang, ricercatore postdottorato a Princeton e professore dell’Accademia delle scienze cinese.

Avevamo quindi bisogno di analizzare questi risultati e calcolare le loro proprietà topologiche sulla base della nostra metodologia di chimica quantistica topologica di recente sviluppo“, ha detto Luis Elcoro, professore all’Università dei Paesi Baschi a Bilbao, in Spagna.

Gli autori hanno scritto diverse serie di codici che ottengono e analizzano la topologia degli elettroni nei materiali reali. Gli autori hanno reso questi codici disponibili al pubblico attraverso il server Crystallographic di Bilbao. Con l’aiuto del Max Planck Supercomputer Center a Garching, in Germania, i ricercatori hanno poi eseguito i loro codici sui 25.000 composti.

Computazionalmente, è stato un lavoro incredibilmente intenso“, ha dichiarato Nicolas Regnault, professore all’Ecole Normale Superieure di Parigi e direttore presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica. “Fortunatamente, la teoria ci ha mostrato che abbiamo bisogno di calcolare solo una frazione dei dati precedenti. Abbiamo bisogno di guardare ciò che fa l’elettrone solo in parte dello spazio dei parametri per ottenere la topologia del sistema.”

La nostra comprensione dei materiali è diventata molto più ricca grazie a questa classificazione“, ha dichiarato Maia Garcia Vergniory, ricercatrice presso il Centro internazionale di fisica di Donostia a San Sebastian, in Spagna. “È davvero l’ultima linea di comprensione delle proprietà dei materiali.”

Claudia Felser, professore al Max Planck Institute per la fisica chimica dei solidi a Dresda, in Germania, aveva già anticipato in precedenza che anche l’oro è topologico. “Molte delle proprietà materiali che conosciamo, come il colore dell’oro, possono essere comprese attraverso il ragionamento topologico“.

Il team sta ora lavorando per classificare la natura topologica di composti aggiuntivi nel database. Le fasi successive riguarderanno l’identificazione dei composti con la migliore versatilità, conduttività e altre proprietà e la verifica sperimentale della loro natura topologica. “Si può quindi sognare una topologica completa“, ha detto Bernevig.

Lo studio, “Un catalogo completo di  di alta qualità“. Di MG Vergniory, L. Elcoro, Claudia Felser, Nicolas Regnault, B. Andrei Bernevig e Zhijun Wang, è stato pubblicato online sulla rivista Nature il 28 febbraio 2019.

Fonte: Nature