A Caccia di Materiali Quantistici Esotici: Svelati i Segreti dei Semimetalli Topologici Chirali

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi dell’infinitamente piccolo! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore della materia, alla scoperta di una classe di materiali che sembrano usciti da un romanzo di fantascienza: i semimetalli topologici (TSM) degeneri ad alto ordine con struttura chirale. Lo so, il nome è un po’ intimidatorio, ma fidatevi, la storia dietro è pazzesca!

Immaginate materiali con proprietà elettroniche così strane da sfidare la nostra intuizione quotidiana. Materiali dove gli elettroni si comportano non come semplici particelle, ma come “fermioni esotici”, entità quasi-particellari con caratteristiche uniche, protette dalle simmetrie stesse del cristallo in cui vivono. Ecco, stiamo parlando proprio di questo.

Cosa sono questi “Mostri” della Fisica?

Negli ultimi anni, il campo dei materiali topologici è esploso. Abbiamo imparato a conoscere i semimetalli di Dirac e di Weyl, ma la ricerca non si ferma mai. Recentemente, l’attenzione si è spostata sui cosiddetti TSM “degeneri ad alto ordine”. Cosa significa? In parole povere, in questi materiali, le bande energetiche dove “viaggiano” gli elettroni si incontrano in punti specifici (i punti k ad alta simmetria nella zona di Brillouin, per i più tecnici) in modi molto più complessi del solito, creando degenerazioni a tre, quattro, sei o addirittura otto volte! Questi punti danno origine a questi nuovi tipi di fermioni, particelle senza massa con proprietà incredibili.

Ma non è tutto. Noi ci siamo concentrati su una sottocategoria ancora più speciale: quelli con una struttura cristallina chirale. Chirale significa che il materiale, come le nostre mani, non è sovrapponibile alla sua immagine speculare. Questa mancanza di simmetrie speculari (piani di riflessione, centro di inversione) apre le porte a fenomeni ancora più bizzarri e potenzialmente utilissimi. Pensate a cariche topologiche più grandi, “archi di Fermi” (una sorta di autostrade elettroniche sulla superficie del materiale) estremamente lunghi che attraversano tutta la superficie.

La Grande Caccia: Come Trovare l’Ago nel Pagliaio

Trovare questi materiali non è una passeggiata. Sono rari e le loro proprietà emergono solo da calcoli quantistici molto sofisticati. Qui entra in gioco la nostra avventura: abbiamo messo a punto un programma automatico, basato su calcoli ad alto rendimento (high-throughput) e sulla potente Teoria del Funzionale della Densità (DFT), per setacciare sistematicamente un enorme database di materiali.

Il processo è stato come cercare un ago in un pagliaio cosmico:

• Siamo partiti da decine di migliaia di strutture cristalline note (dal database Materials Project).
• Abbiamo selezionato solo quelle appartenenti ai 65 gruppi spaziali chirali (circa 18.500 candidati iniziali).
• Abbiamo applicato una serie di filtri rigorosi:
  • Esclusi i materiali con un grande band gap (cercavamo metalli o semimetalli).
  • Limitato il numero di atomi (meno di 40) e tipi di elementi (meno di 4) per cella unitaria, per mantenere i calcoli fattibili.
  • Scartato i materiali termodinamicamente instabili (con energia “above hull” troppo alta).
  • Evitato elementi con elettroni f fortemente correlati (lantanidi e attinidi, tranne il Lantanio), che sono notoriamente difficili da simulare accuratamente con la DFT standard.
  • Rimosso alcune strutture con dati problematici.
• Alla fine di questa prima scrematura, siamo rimasti con 4368 materiali.

Poi è iniziata la fase di calcolo vera e propria. Abbiamo usato la DFT per identificare i metalli o semimetalli non magnetici tra i candidati rimasti. Per 925 strutture promettenti, abbiamo calcolato la struttura a bande includendo l’accoppiamento spin-orbita (SOC), un effetto relativistico cruciale per le proprietà topologiche. Abbiamo cercato specificamente i punti di degenerazione ad alto ordine vicino al livello di Fermi (l’energia a cui si trovano gli elettroni più “attivi”).

Per confermare la natura topologica di questi punti, abbiamo dovuto calcolare un invariante topologico, la “carica del monopolo” della curvatura di Berry (indicata con C). Questo richiede la costruzione di funzioni di Wannier, un processo complesso che siamo riusciti ad automatizzare con successo.

Il Tesoro Nascosto: 146 Nuovi Semimetalli Topologici Chirali!

E il risultato? Abbiamo tirato fuori dal cilindro un database di ben 146 semimetalli topologici degeneri ad alto ordine, non magnetici e chirali! Una vera miniera d’oro per fisici e scienziati dei materiali.

Questo database, che abbiamo descritto in dettaglio, non include solo materiali già noti e studiati come la famiglia del CoSi (che funge da conferma della validità del nostro metodo), ma svela un’intera nuova popolazione di TSM esotici, appartenenti a 14 diversi gruppi spaziali chirali. La maggior parte ospita punti quadrupli, ma abbiamo trovato anche punti tripli e sestupli. È interessante notare che non abbiamo trovato punti ottupli, che possono esistere solo in gruppi spaziali non chirali.

Un aspetto cruciale è che questi materiali non solo ospitano i fermioni degeneri ad alto ordine, ma spesso coesistono con i più “convenzionali” (ma non meno affascinanti) fermioni di Weyl. La presenza simultanea di questi diversi tipi di quasi-particelle topologiche in una struttura chirale apre scenari incredibili.

Uno Sguardo da Vicino: Il Caso di Mn2Al3

Per darvi un’idea più concreta, abbiamo analizzato in dettaglio uno dei nostri nuovi candidati: Mn2Al3, appartenente al gruppo spaziale chirale P4132 (No. 213). Questo materiale ha una struttura cubica complessa con assi elicoidali che ne definiscono la chiralità.

I nostri calcoli DFT hanno rivelato un panorama elettronico ricchissimo:

• Senza accoppiamento spin-orbita (SOC): Abbiamo trovato punti di Weyl e un punto degenere quadruplo al punto R della zona di Brillouin con carica topologica C=+2.
• Con SOC: La situazione diventa ancora più interessante! Il punto quadruplo si “divide” in un punto sestuplo (C=+4) e uno doppio. Compaiono altri punti quadrupli ai punti Γ e M (con C=+4 e C=+2 rispettivamente). Inoltre, persistono i punti di Weyl, anche se leggermente spostati.

La cosa fondamentale è che la carica topologica totale nell’intera zona di Brillouin deve essere zero. Quindi, la presenza di punti degeneri con carica positiva (come quelli a Γ, M, R) implica necessariamente l’esistenza di altri punti (tipicamente punti di Weyl) con carica negativa per bilanciare il tutto. Abbiamo mappato meticolosamente tutti questi punti, scoprendo una complessa rete di fermioni topologici, inclusi alcuni punti di Weyl “quadratici” con carica C=-2!

Le Autostrade Elettroniche: Stati Superficiali e Archi di Fermi

Una delle firme più spettacolari dei TSM sono gli stati superficiali topologici e gli archi di Fermi. Sono come canali preferenziali sulla superficie del materiale dove gli elettroni possono viaggiare. Nel caso dei materiali chirali, questi archi possono essere incredibilmente lunghi, estendendosi attraverso gran parte della superficie della zona di Brillouin.

Per Mn2Al3, abbiamo calcolato gli stati superficiali sulla faccia (001). Anche se i punti degeneri ad alto ordine risultano “sommersi” negli stati del bulk, abbiamo potuto osservare chiaramente gli archi di Fermi associati ai punti di Weyl proiettati sulla superficie. Questi archi, che collegano punti di Weyl di chiralità opposta (carica topologica opposta), sono la prova tangibile della natura topologica del materiale e sono, in linea di principio, misurabili sperimentalmente. Il fatto che in una struttura chirale i punti di Weyl con chiralità opposta abbiano energie diverse rende l’osservazione ancora più particolare.

Perché Tutto Questo è Importante?

Ok, abbiamo trovato un sacco di materiali esotici con nomi complicati. E allora? Beh, le implicazioni sono potenzialmente enormi:

• Scienza Fondamentale: Stiamo scoprendo nuove forme di materia e nuove particelle elementari (o meglio, quasi-particelle) all’interno dei solidi. È come aprire una nuova finestra sulle leggi fondamentali della fisica della materia condensata.
• Catalisi Topologica: La combinazione di struttura chirale e lunghi archi di Fermi superficiali rende questi materiali candidati ideali per la catalisi topologica. Gli elettroni altamente mobili sulla superficie potrebbero accelerare reazioni chimiche in modi nuovi ed efficienti.
• Effetti Quantistici Unici: La coesistenza di fermioni degeneri e punti di Weyl in strutture chirali potrebbe portare a fenomeni come l’effetto fotogalvanico circolare quantizzato (CPGE), dove la luce polarizzata circolarmente genera una corrente elettrica quantizzata, o l’effetto magnetico girotropico. Questi effetti potrebbero essere sfruttati in futuri dispositivi optoelettronici e spintronici.

In sintesi, la nostra ricerca sistematica ha non solo ampliato enormemente il catalogo di semimetalli topologici noti, ma ha anche fornito una piattaforma ricca di candidati promettenti per studiare fisica fondamentale affascinante e sviluppare applicazioni tecnologiche innovative. Il viaggio nel mondo quantistico dei materiali chirali è appena iniziato, e le sorprese non mancheranno!

(Nota tecnica per gli addetti ai lavori: I calcoli sono stati eseguiti utilizzando il pacchetto VASP basato su DFT con il funzionale PBE-GGA. Le proprietà topologiche sono state analizzate costruendo Hamiltoniane tight-binding da funzioni di Wannier massimamente localizzate (MLWF) e utilizzando il pacchetto WannierTools, mentre gli stati superficiali sono stati calcolati con il metodo della funzione di Green.)

Fonte: Springer