Dois novos estudos explicam o estranho fluxo de elétrons em materiais futuros

Os elétrons correm ao longo da superfície de certos materiais cristalinos incomuns, exceto que às vezes não. Dois novos estudos de pesquisadores de Princeton e seus colaboradores explicam a fonte do comportamento surpreendente e traçam um caminho para restaurar a condutividade nesses cristais notáveis, valorizados por seu uso potencial em tecnologias futuras, incluindo computadores quânticos.

Os estudos foram publicados na revista Science .

Nos últimos 15 anos, uma classe de materiais conhecidos como isoladores topológicos dominou a busca pelos materiais do futuro. Esses cristais têm uma propriedade incomum: seus interiores são isoladores – onde os elétrons não podem fluir – mas suas superfícies são condutores perfeitos, onde os elétrons fluem sem resistência.

Essa foi a imagem até a descoberta, há dois anos, de que alguns materiais topológicos são realmente incapazes de conduzir corrente em sua superfície , um fenômeno que ganhou o nome de “topologia frágil”.

“A topologia frágil é uma fera estranha: agora está prevista a existência em centenas de materiais”, disse B. Andrei Bernevig, professor de física de Princeton e co-autor de ambos os trabalhos. “É como se o princípio usual em que nos baseamos para determinar experimentalmente um estado topológico se quebre”.

Para entender como os estados frágeis se formam, os pesquisadores se voltaram para dois recursos: equações matemáticas e impressoras 3D. Com Luis Elcoro, da Universidade do País Basco, Zhi-Da Song, pesquisador de pós-doutorado em Bernevig e Princeton, construiu uma teoria matemática para explicar o que está acontecendo dentro dos materiais.

Em seguida, Sebastian Huber e sua equipe na ETH Zurich, em colaboração com pesquisadores de Princeton, Instituto de Ciência Weizmann em Israel, Universidade de Tecnologia do Sul da China e Universidade Wuhan, testaram a teoria construindo um material topológico em tamanho natural Plásticos impressos em D.

Os materiais topológicos tiram seu nome do campo da matemática que explica como se relacionam formas como rosquinhas e xícaras de café (ambos têm um buraco). Os mesmos princípios podem explicar como os elétrons pulam de átomo em átomo na superfície dos cerca de 20.000 materiais topológicos identificados até o momento. Os fundamentos teóricos dos materiais topológicos ganharam um Prêmio Nobel de Física em 2016 por F. Duncan Haldane, professor de Física da Universidade Sherman Fairchild de Princeton.

What makes these crystals so interesting to scientists is their paradoxical electronic properties. The interior of the crystal has no ability to conduct current—it is an insulator. But cut the crystal in half, and the electrons will skim across the newly revealed surfaces without any resistance, protected by their topological nature.

A explicação está na conexão entre os elétrons na superfície e os do interior ou a granel. Os elétrons podem ser vistos não como partículas individuais, mas como ondas que se espalham como ondas de água de um seixo jogado em um lago. Nesta visão mecânica quântica, a localização de cada elétron é descrita por uma onda que se espalha chamada de função de onda quântica. Em um material topológico, a função de onda quântica de um elétron no volume se espalha para a borda do cristal, ou limite da superfície. Essa correspondência entre o volume e o limite leva a um estado de superfície perfeitamente condutor.

Esse princípio de “correspondência de contorno em massa” para explicar a condução topológica da superfície foi amplamente aceito até dois anos atrás, quando vários trabalhos científicos revelaram a existência de topologia frágil. Ao contrário dos estados topológicos usuais, estados topológicos frágeis não possuem estados de superfície condutores.

“O princípio usual da correspondência entre fronteiras em massa é quebrado”, afirmou Bernevig. Mas exatamente como permaneceu um quebra-cabeça.

No primeiro dos dois artigos científicos , Bernevig, Song e Elcoro fornecem uma explicação teórica para uma nova correspondência de limites em massa para explicar topologia frágil. Os colaboradores mostram que a função de onda de elétrons da topologia frágil só se estende à superfície sob condições específicas, que os pesquisadores chamam de correspondência de contorno a granel torcido.

A equipe descobriu ainda que a correspondência de contorno em massa distorcida pode ser ajustada para que os estados da superfície condutora reapareçam. “Com base nas formas das funções das ondas, projetamos um conjunto de mecanismos para introduzir interferência nos limites de tal forma que o estado dos limites necessariamente se torne perfeitamente condutor”, disse Luis Elcoro, professor da Universidade do País Basco.

Encontrar novos princípios gerais é algo que sempre intriga os físicos, mas esse novo tipo de correspondência em massa também pode ter algum valor prático, de acordo com os pesquisadores. “A correspondência de contorno a granel torcido da topologia frágil fornece um procedimento potencial para controlar o estado da superfície, o que pode ser útil em aplicações mecânicas, eletrônicas e ópticas”, disse Song.

Mas provar que a teoria funciona era praticamente impossível, pois seria necessário interferir com os limites em escalas atômicas infinitesimalmente pequenas. Então, a equipe procurou os colaboradores para criar um modelo em tamanho real com o qual explorar suas idéias.

No segundo artigo da Science , Sebastian Huber e sua equipe na ETH Zurich construíram um cristal topológico simulado em larga escala de plástico usando peças impressas em 3D. Eles usaram ondas sonoras para representar as funções das ondas de elétrons. Eles inseriram barreiras para bloquear o caminho das ondas sonoras, o que é análogo ao corte do cristal para revelar as superfícies condutoras. Dessa maneira, os pesquisadores imitaram a condição de contorno retorcido e mostraram que, ao manipulá-la, podiam demonstrar que uma onda sonora de condução livre viaja pela superfície.

“Essa foi uma idéia e realização muito do campo esquerdo”, disse Huber. “Agora podemos mostrar que praticamente todos os estados topológicos que foram realizados em nossos sistemas artificiais são frágeis e não estáveis ​​como se pensava no passado. Este trabalho fornece essa confirmação, mas muito mais, introduz um novo princípio abrangente”.

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