Symmetry-constrained coexistence of charge-three and charge-one Weyl points in nonmagnetic crystals

Nel mondo quantistico, gli elettroni non si comportano sempre come semplici particelle che si muovono attraverso un solido. In certi materiali esotici, possono agire come se fossero privi di massa, correndo attraverso il reticolo cristallino a velocità che mimano la luce. Questi materiali sono noti come semimetalli di Weyl. Al loro interno, le bande di energia degli elettroni si incrociano in punti specifici, creando nodi isolati. Questi nodi agiscono come piccoli magneti per una proprietà nascosta del moto dell'elettrone chiamata "carica topologica". Proprio come un magnete ha un polo nord e uno sud, questi nodi hanno una carica che può essere positiva o negativa. Nella maggior parte dei materiali conosciuti, queste cariche sono piccole, solitamente pari a uno. Tuttavia, la fisica permette nodi con cariche molto più grandi, come tre. Questi nodi ad alta carica sono rari e difficili da trovare perché le regole della struttura cristallina devono essere perfettamente allineate per proteggerli. Se la simmetria del cristallo viene interrotta, questi nodi speciali possono scindersi o scomparire.

Per molto tempo, gli scienziati hanno faticato a trovare un materiale non magnetico e puro che ospitasse questi nodi ad alta carica senza l'interferenza di altri stati elettronici. La sfida è complicata da una legge fondamentale della fisica: la carica totale in un cristallo deve sempre sommare a zero. Ciò significa che se un materiale contiene un nodo con una carica di tre, deve contenere anche altri nodi con cariche negative per bilanciare il tutto. Finora, la specifica disposizione di questi nodi di bilanciamento accanto a quelli ad alta carica rimaneva ampiamente inesplorata. I ricercatori non avevano una mappa chiara di quali strutture cristalline potessero sostenere questa delicata coesistenza, né avevano trovato un materiale reale che dimostrasse perfettamente questa complessa disposizione.

Un team di ricercatori dell'Università di Yanshan, in Cina, ha ora colmato questa lacuna combinando l'analisi della simmetria teorica con simulazioni al computer per progettare e identificare tali materiali. Si sono concentrati su una configurazione specifica e complessa: un cristallo contenente due nodi con una carica di tre, bilanciati da sei nodi con una carica negativa di uno. Questa disposizione forma un sistema stabile e a carica neutra. Analizzando ogni possibile tipo di simmetria cristallina, il team ha identificato dodici specifiche strutture cristalline che potrebbero ospitare questa disposizione senza l'influenza dell'accoppiamento spin-orbita, un effetto quantistico che spesso complica il comportamento elettronico. Quando hanno incluso questo effetto, il numero di strutture possibili è salito a ventitré. Questa ricerca sistematica ha fornito una tabella di marcia per trovare questi rari materiali in natura.

Seguendo questa mappa teorica, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione al boro, un elemento leggero che è naturalmente debole negli effetti quantistici che di solito oscurano queste delicate caratteristiche. Hanno scoperto due forme distinte di boro che corrispondono perfettamente alle loro previsioni. La prima, chiamata TBR-B48, è una struttura composta da nastri triangolari ripiegati. In questo materiale, i nodi ad alta carica appaiono in una forma simile a una clessidra, dove le bande di energia si torcono e si incrociano in un modo specifico. Il secondo materiale, l'OBD-B48, è una struttura chirale, il che significa che esiste in versioni destrorse e sinistrorse, proprio come un paio di guanti. In questo materiale, i nodi ad alta carica non formano una forma a clessidra, ma assumono invece una configurazione diversa, non a clessidra. Entrambi i materiali sono predetti come meccanicamente e dinamicamente stabili, il che significa che possono esistere come cristalli solidi senza sfaldarsi.

I ricercatori hanno poi simulato il comportamento degli elettroni sulla superficie di questi cristalli. A causa della particolare disposizione delle cariche all'interno, la superficie del materiale dovrebbe mostrare schemi distinti di flusso elettronico, noti come archi di Fermi. Per il materiale con i nodi a clessidra, la simulazione ha mostrato che guardando la superficie da un'angolazione, sei percorsi distinti di elettroni emergerebbero da un singolo punto, collegandosi a altri sei punti sulla superficie. Questa è una diretta conseguenza dell'alta carica dei nodi interni. Osservando da un'angolazione diversa, questi percorsi si dividono in tre gruppi separati. Nel boro chirale, i ricercatori hanno scoperto che capovolgendo il cristallo dalla sua forma sinistrorsa alla sua forma destrorsa, il segno di ogni carica all'interno veniva invertito. I nodi positivi diventavano negativi, e i negativi diventavano positivi, eppure il pattern complessivo dei percorsi elettronici rimaneva lo stesso, solo riflesso. Questa scoperta stabilisce un legame diretto tra la torsione fisica del cristallo e la torsione delle proprietà quantistiche dell'elettrone.

Per dimostrare che questi nodi ad alta carica dipendono interamente dalla simmetria del cristallo, il team ha simulato cosa accadrebbe se si stirasse il cristallo TBR-B48. Quando hanno tirato il cristallo lungo una direzione specifica, hanno interrotto la simmetria rotazionale a sei ordini che proteggeva i nodi ad alta carica. Come previsto, il singolo nodo con una carica di tre non è scomparso; al contrario, si è scisso in tre nodi separati, ciascuno con una carica di uno. Anche il complesso pattern di sei percorsi elettronici sulla superficie si è riorganizzato in schemi più semplici corrispondenti a queste nuove cariche più piccole. Questo esperimento, eseguito al computer, ha dimostrato che lo stato ad alta carica non è una caratteristica accidentale ma un risultato diretto della simmetria geometrica del cristallo. Se la simmetria viene rimossa, lo stato ad alta carica si dissolve in quelli convenzionali.

Questo lavoro fornisce una guida chiara per la ricerca di nuovi materiali quantistici. Esso va oltre il semplice guardare a nodi isolati ad alta carica e si concentra invece sull'intero sistema di cariche che devono esistere insieme per soddisfare le leggi della fisica. Identificando specifici allotropi del boro che realizzano questa complessa configurazione, i ricercatori hanno offerto obiettivi tangibili per sperimentatori che desiderano sintetizzarli e studiarli. La scoperta che la chiralità del cristallo può controllare il segno della carica topologica, e che la deformazione (strain) può far passare il materiale tra stati ad alta e bassa carica, apre nuove strade per manipolare le proprietà quantistiche. Queste scoperte suggeriscono che, progettando attentamente la simmetria di un cristallo, gli scienziati possono ingegnerizzare materiali con comportamenti elettronici esotici che prima erano considerati troppo rari per essere trovati in natura.