Punti di Weyl sotto la lente: pubblicazione dei fisici di Kaiserslautern come "suggerimento degli editori" pubblicata

Spettrometro a infrarossi con trasformata di Fourier sperimentalmente dimostrato punto di Weyl. È chiaramente visibile come i due bordi si tocchino. (Fonte: C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Per la microscopia elettronica a scansione con emissione di campo, la struttura chirale, simile a pile di legno, dei cristalli fotonici è visibile, che i ricercatori hanno realizzato mediante polimerizzazione a due fotoni e hanno utilizzato per le loro indagini. (Fonte: C. Jörg)

Un materiale che conduce e isola – esiste? Sì, nel 2005 i ricercatori hanno descritto per la prima volta i cosiddetti isolanti topologici, che impediscono il flusso di corrente all’interno, ma sono estremamente conduttivi sulla superficie. Gli stati che portano ai punti di Weyl all’interno di solidi tridimensionali sono a loro volta sospesi su cosiddetti punti di Weyl. Un team di scienziati dell’Università Statale della Pennsylvania (PSU) e della TU Kaiserslautern (TUK) è riuscito recentemente per la prima volta a rendere visibili questi punti con la luce infrarossa. La rivista scientifica Physical Review Letters ha pubblicato la loro pubblicazione come “suggestion degli editori”.

In realtà, la fisica di Kaiserslautern, Dr. Christina Jörg, avrebbe voluto iniziare il suo postdoc in persona presso l’Università Statale della Pennsylvania a marzo. Tuttavia, il COVID-19 ha impedito alla borsista Humboldt di farlo. Invece, ha avuto la possibilità di iniziare il postdoc in “home office” e di condurre i suoi esperimenti presso il TUK nel gruppo di lavoro “Tecnologie ottiche e fotonica” del Prof. Dr. Georg von Freymann. Un colpo di fortuna, come si è presto scoperto. “Continuo la ricerca iniziata dai miei colleghi negli USA, caratterizzando gli stati superficiali e, di conseguenza, i punti di Weyl ottici in cristalli fotonici topologici”, spiega la fisica. “Vista la situazione pandemica negli USA, il lavoro di laboratorio presso l’Università Statale della Pennsylvania è limitato. A Kaiserslautern, invece, ho pieno accesso alle apparecchiature e alle tecniche di misurazione necessarie.”

Ciò che distingue gli isolanti topologici, spiega Jörg con un esempio: “Nei componenti elettronici o ottici, quando si conduce corrente o luce, succede esattamente ciò che conosciamo quando si accende il faro in nebbia: la luce viene diffusa o le particelle di luce rimbalzano sulle goccioline di nebbia e vengono riflesse indietro. Trasferito al componente, il segnale conduttore non passa senza perdite e si indebolisce lungo il percorso.”

Negli isolanti topologici, la situazione è diversa. Qui, i segnali possono fluire senza perdite lungo la superficie, aggirando le imperfezioni interne. “Gli stati speciali che permettono questa deviazione sono sempre associati a punti molto specifici nella struttura a bande – la mappa stradale che descrive come i segnali possono fluire – sospesi”, spiega ancora Jörg. “Si tratta di punti in cui due bande si toccano. Questi punti si chiamano punti di Weyl. I punti di Weyl topologici sono estremamente robusti e insensibili alle influenze esterne. Nei materiali ottici, finora, i punti di Weyl sono stati difficili da raggiungere sperimentalmente, perché per osservarli liberamente è necessario un contrasto materiale il più alto possibile.”

Il team ha quindi utilizzato una stampante 3D speciale per produrre cristalli fotonici adatti alla ricerca, di dimensioni complessive di un millimetro quadrato. In questa struttura, sono stati per la prima volta rilevati punti di Weyl ottici quadrati basati su onde di luce infrarossa. Un risultato importante: “Anche se non siamo ancora nel campo visibile, con queste scoperte ci siamo avvicinati molto a un’applicazione futura”, riassume Jörg.

La rinomata rivista scientifica Physical Review Letters è altrettanto convinta del potenziale del lavoro di ricerca dei fisici di Kaiserslautern e degli Stati Uniti e ha dato al documento un posto di rilievo nell’ultimo numero.

Informazioni sulla pubblicazione originale:
Osservazione di un punto di Weyl fotonico di carica 2 nell’infrarosso
Sachin Vaidya, Jiho Noh, Alexander Cerjan, Christina Jörg, Georg von Freymann, e Mikael C. Rechtsman
Phys. Rev. Lett. 125, 253902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.253902

Domande a cui risponde:
Dr. Christina Jörg
Tel.: 0631 205-5230
E-mail: cjoerg[at]rhrk.uni-kl.de