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Isolanti topologici da Nobel studiati a SPARC_LAB

isolanti topologici sorgente THz SPARC_LABIl premio Nobel per la Fisica 2016 è stato assegnato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per i loro studi sulle transizioni di fase topologiche della materia.
A questa categoria di materiali appartengono anche i cosiddetti isolanti topologici, le cui proprietà elettromagnetiche e di trasporto sono determinate dalla topologia esotica delle loro bande elettroniche. Questi materiali hanno l’importante proprietà di comportarsi come isolanti elettrici all’interno del materiale manifestando, al contempo, stati conduttivi sulla superficie. Un’ulteriore proprietà prevista dalla teoria, ma mai investigata in precedenza, riguarda la risposta ottica non lineare degli isolanti topologici a impulsi di radiazione nella regione di frequenza del terahertz (THz). Se provata sperimentalmente, questa proprietà può portare alla loro utilizzazione per applicazioni di ottica THz ultraveloce, nello studio di fenomeni di propagazione di onde elettromagnetiche non lineari (solitoni) e come rivelatori di radiazione THz.

Con la sorgente THz di SPARC_LAB, il team di ricerca, coordinato da Stefano Lupi dell’Università “Sapienza” di Roma ed Enrica Chiadroni dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, ha investigato con successo le proprietà non lineari di questi materiali. I risultati ottenuti sono stati recentemente pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Communications.

La sorgente THz in funzione a SPARC_LAB ha la notevole caratteristica di poter produrre campi elettrici dell’ordine del MV/cm, dell’ordine cioè dei campi elettrici atomici. Campi elettrici così intensi possono infatti eccitare gli stati quantistici fondamentali del sistema in esame rendendo possibili esperimenti di ottica in regime non lineare.

L’intensità trasmessa dal campione di isolante topologico Bi2Se3 in funzione del campo elettrico THz.
L’intensità trasmessa dal campione di isolante topologico Bi2Se3 in funzione del campo elettrico THz.


Dalle misure effettuate a SPARC_LAB al variare del campo elettrico THz, l’intensità di radiazione trasmessa dal campione preso in esame (un sottile strato di Bi
2Se3) è risultata costante per campi fino a qualche decina di kV/cm, che rappresenta la regione di risposta lineare del materiale. Al crescere del campo elettrico associato all’impulso di radiazione THz l’intensità trasmessa ha invece cominciato a crescere, mostrando un aumento di circa il 25% con un andamento a saturazione a campi elettrici alti. Il fenomeno di trasparenza indotta nella regione spettrale del  THz è la prova sperimentale del comportamento ottico non-lineare dell’Isolante Topologico Bi2Se3. (Massimo Ferrario)