Nuovi stati quantistici della materia scoperti con la microscopia a campo prossimo grazie a uno studio coordinato dall’Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr Nano)
I materiali isolanti topologici sono di grande interesse scientifico e tecnologico per le loro proprietà ottiche ed elettroniche. Questi materiali inoltre sono un sistema ideale per studiare una serie di fenomeni quantistici originati sui loro strati di superficie fino a pochi anni fa inaccessibili a misure sperimentali. Ora uno studio coordinato dall’Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr Nano) ha riportato la prima osservazione sperimentale di due tipi di eccitazioni collettive luce-materia nel lontano infrarosso in due distinti materiali isolanti topologici, grazie alla tecnica della nanoscopia in campo prossimo. I risultati sono pubblicati sulla rivista nature Communications.
Secondo Miriam Serena Vitiello, del laboratorio NEST di Cnr Nano e Scuola normale superiore di Pisa, che ha coordinato il team di ricercatori composto da Eva Arianna Pogna e Leonardo Viti (Cnr Nano) e personale dell’Università degli Studi e Politecnico di Bari (Gaetano Scamarcio, Massimo Brambilla) e dell’Università dell’Aquila (Antonio Politano), lo studio “apre nuove prospettive sia per la fisica della materia, dando accesso a regimi di forte interazione radiazione materia finora inesplorati, sia per lo sviluppo tecnologico, ad esempio nel campo della optoelettronica per la manipolazione, la trasmissione e la rivelazione di luce nel lontano infrarosso mediante nanodispositivi”.
Gli isolanti topologici sono materiali semiconduttori che presentano negli strati superficiali un comportamento metallico con proprietà di conduzione uniche. “Questi materiali, inoltre, se irradiati con radiazione nel lontano infrarosso, possono dare origine a eccitazioni collettive luce-materia note come fononi-polaritoni iperbolici”, spiega Vitiello. “Tuttavia lo studio dei fononi-polaritoni iperbolici è stato finora limitato a altri materiali, come il nitrato di boro o il triossido di molibdeno, in grado di accoppiarsi a luce con frequenze che arrivano solo al vicino infrarosso. Materiali, come gli isolanti topologici che abbiamo studiato e che presentano modi iperbolici nel lontano infrarosso, permettono di estendere l’applicazione dei fononi-polaritoni iperbolici ad un nuovo range spettrale”.
Per studiare la risposta ottica di materiali innovativi come gli isolanti topologici, è stata impiegata la tecnica della microscopia in campo prossimo con ‘luce’ nel lontano infrarosso. Il setup sperimentale è basato su sorgenti laser a cascata quantica e un sistema di spettroscopia risolta in tempo, messo a punto presso Cnr Nano.
Nel primo materiale studiato, il seleniuro di bismuto, i ricercatori hanno osservato per la prima volta l’attivazione di fononi-polaritoni iperbolici nel lontano infrarosso e indagato come sono modificati dall’interazione con gli elettroni appartenenti agli stati superficiali propri dell’isolante topologico. Nel secondo materiale, un composto di bismuto tellurio e selenio, i ricercatori hanno osservato l’attivazione di plasmoni-polaritoni nel lontano infrarosso, generati dall’accoppiamento della radiazione elettromagnetica con i plasmoni del materiale, ovvero oscillazioni collettive dei suoi portatori di carica.
“La microscopia in campo prossimo costituisce un interessante strumento per studiare nuovi stati quantistici della materia su scala nanometrica. In particolare le nostre misure di microscopia in campo prossimo nel lontano infrarosso combinano una estesa copertura spettrale con una risoluzione spaziale della decina di nanometri, permettendo di mappare la propagazione nello spazio delle eccitazioni collettive luce-materia in campioni di isolanti topologici di dimensioni micrometriche”, conclude la ricercatrice.
Lo studio sulla rivista nature Communications: Pogna, E.A.A., Viti, L., Politano, A. et al. Mapping propagation of collective modes in Bi2Se3 and Bi2Te2.2Se0.8 topological insulators by near-field terahertz nanoscopy. Nat Commun 12, 6672 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-021-26831-6