O melhor condutor topológico

A realização dos chamados materiais topológicos - que exibem propriedades exóticas, resistentes a defeitos e devem ter aplicações em eletrônica, óptica, computação quântica e outros campos - abriu um novo campo na descoberta de materiais.

Vários dos materiais topológicos estudados até hoje são conhecidos como isolantes topológicos. Espera-se que suas superfícies conduzam eletricidade com muito pouca resistência, algo semelhante a supercondutores, mas sem a necessidade de temperaturas incrivelmente baixas, enquanto seus interiores - o chamado "volume" do material - não conduzem corrente.

Agora, uma equipe de pesquisadores trabalhando no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, do Departamento de Energia (Berkeley Lab), descobriu o condutor topológico mais forte até agora, na forma de amostras de cristais finos que têm uma estrutura de escada em espiral. O estudo da equipe de cristais, apelidado de cristais quirais topológicos, é relatado na edição de 20 de março da revista Nature .

A estrutura helicoidal em forma de DNA, ou helicoidal, na amostra de cristal que foi o foco do estudo mais recente, exibe uma quiralidade ou "lateralidade" - como uma pessoa pode ser canhota ou destra, e a mão esquerda é uma imagem espelhada da mão direita. Propriedades quirais em alguns casos podem ser invertidas, como uma pessoa canhota se tornando uma pessoa destra.

"Neste novo trabalho estamos essencialmente provando que este é um novo estado de matéria quântica, que também está exibindo propriedades de superfície topológica quase ideais que emergem como consequência da quiralidade da estrutura cristalina", disse M. Zahid Hasan, um material topológico. pioneiro que liderou a teoria de materiais e experimentos como cientista visitante na Faculdade de Ciências dos Materiais do Laboratório de Berkeley. Hasan é também o professor de física de Eugene Higgins na Universidade de Princeton.

Uma propriedade que define a condutividade topológica - que está relacionada à condutividade elétrica da superfície do material - foi medida em cerca de 100 vezes maior que a observada em metais topológicos previamente identificados.

Essa propriedade, conhecida como o arco de superfície Fermi, foi revelada em experimentos de raios-X na Advanced Light Source (ALS) da Berkeley Lab, usando uma técnica conhecida como espectroscopia de fotoemissão. O ALS é um síncrotron que produz luz intensa - de infravermelho a raios-X de alta energia - para dezenas de experimentos simultâneos.

A topologia é um conceito matemático bem estabelecido que se relaciona com a preservação das propriedades geométricas de um objeto, mesmo que um objeto seja esticado ou deformado de outras maneiras. Algumas de suas aplicações experimentais em materiais eletrônicos em 3D - como a descoberta de comportamentos topológicos em estruturas eletrônicas de materiais - só foram realizadas há pouco mais de uma década, com contribuições iniciais e contínuas do Berkeley Lab.

"Depois de mais de 12 anos de pesquisa em física e materiais topológicos, acredito que esta é apenas a ponta do iceberg", acrescentou Hasan. "Baseado em nossas medidas, este é o metal condutor mais robusto e topologicamente protegido que qualquer um descobriu - está nos levando a uma nova fronteira."

Topologicamente protegido significa que algumas das propriedades do material são confiáveis, mesmo se o material não for perfeito. Essa qualidade também reforça a possibilidade futura de aplicações práticas e manufaturabilidade para esses tipos de materiais.

Ilya Belopolski, uma pesquisadora de Princeton que participou tanto da teoria quanto do trabalho experimental, observou que uma propriedade particularmente interessante dos cristais estudados - que inclui cristais de silício e ródio-cobalto - é que eles podem produzir uma corrente elétrica de força fixa quando você acende uma luz sobre eles.

"Nossas teorias anteriores mostraram que - com base nas propriedades eletrônicas do material que observamos agora - a corrente seria fixada em valores específicos", disse ele. "Não importa quão grande é a amostra, ou se está suja. É um valor universal. Isso é incrível. Para aplicações, o desempenho será o mesmo."

Em experimentos anteriores no ALS, a equipe de Hasan havia revelado a existência de um tipo de quasipartículas sem massa conhecidas como férmions de Weyl, que só existiam na teoria há cerca de 85 anos.

Os férmions de Weyl, que foram observados em cristais sintéticos de um semimetal chamado arsenieto de tântalo, exibem algumas propriedades eletrônicas similares àquelas encontradas nos cristais usados ​​no estudo mais recente, mas não possuíam suas características quirais. Semimetais são materiais que possuem algum metal e algumas propriedades não-metálicas.

"Nosso trabalho anterior sobre os semimetais da Weyl abriu o caminho para pesquisas sobre condutores topológicos exóticos", disse Hasan. Em um estudo de novembro de 2017, que enfocou a teoria envolvendo esses materiais exóticos, a equipe de Hasan previu que elétrons em silício-ródio e muitos materiais correlatos se comportavam de maneiras altamente incomuns.

A equipe havia previsto que quasipartículas no material - descritas pelo movimento coletivo de elétrons - emergem como elétrons sem massa e deveriam se comportar como partículas 3D lentas e lentas, com características definitivas de lateralidade ou de quiralidade, ao contrário dos isolantes topológicos ou do grafeno.

Além disso, seus cálculos, publicados em 1º de outubro de 2018 na revista Nature Materials , sugeriam que os elétrons nos cristais se comportariam coletivamente como se fossem monopolos magnéticos em seu movimento. Monopólos magnéticos são partículas hipotéticas com um único pólo magnético - como a Terra sem um pólo sul que pode se mover independentemente de um pólo norte.

Todo esse comportamento topológico incomum aponta de volta para a natureza quiral das amostras de cristal, que criam uma espiral ou estrutura eletrônica "helicoidal", como observado nos experimentos, observou Hasan.

As amostras estudadas, que contêm cristais de até dois milímetros de diâmetro, foram preparadas antecipadamente por várias fontes internacionais. Os cristais foram caracterizados pelo grupo de Hasan no Laboratório de Quântica Química Topológica e Espectroscopia Avançada de Princeton usando um microscópio de tunelamento de varredura de baixa temperatura que pode digitalizar amostras em escala atômica, e as amostras foram então transportadas para o Berkeley Lab.

Antes de estudar na ALS, as amostras foram submetidas a um tratamento de polimento especializado na Molecular Foundry, de Berkeley Lab, uma instalação de pesquisa científica em nanoescala. Daniel Sanchez e Tyler Cochran, pesquisadores de Princeton que contribuíram para o estudo, disseram que as amostras para esses estudos são tipicamente "clivadas", ou quebradas, para que sejam atomicamente planas.

Mas neste caso, as ligações de cristal eram muito fortes porque os cristais tinham uma forma cúbica. Assim, os membros da equipe trabalharam com a equipe da Fundição Molecular para fotografar átomos de argônio de alta energia nas amostras de cristal para limpá-los e achatá-los e, em seguida, recristalizaram e poliram as amostras por meio de um processo de aquecimento.

Os pesquisadores usaram duas linhas de luz de raios-X diferentes no ALS (Beamline 10.0.1 e Beamline 4.0.3) para descobrir as propriedades eletrônicas e de spin incomuns das amostras de cristal.

Como o comportamento eletrônico nas amostras parece imitar a quiralidade na estrutura dos cristais, Hasan disse que há muitos outros caminhos a serem explorados, como testar se a supercondutividade pode ser transferida através de outros materiais para o condutor topológico.

"Isso poderia levar a um novo tipo de supercondutor", disse ele, "ou à exploração de um novo efeito quântico. É possível ter um supercondutor topológico quiral?"

Além disso, embora as propriedades topológicas observadas nos cristais de ródio-silício e cobalto-silício no estudo mais recente sejam consideradas ideais, há muitos outros materiais que foram identificados que poderiam ser estudados para avaliar seu potencial para melhorar o desempenho em aplicações do mundo real, Hasan disse.

"Acontece que a mesma física também pode ser possível em outros compostos no futuro, que são mais adequados para dispositivos", disse ele.

"É uma imensa satisfação quando você prevê algo exótico e também aparece nos experimentos de laboratório", acrescentou Hasan, observando os sucessos anteriores de sua equipe na previsão das propriedades topológicas dos materiais. "Com previsões teóricas definitivas, combinamos teoria e experimentos para avançar a fronteira do conhecimento."

A Fonte de Luz Avançada e a Fundição Molecular são Instalações do Usuário do Departamento de Ciências do DOE.

Artigo:

Daniel S. Sanchez, Ilya Belopolski, Tyler A. Cochran, Xitong Xu, Jia-Xin Yin, Guoqing Chang, Weiwei Xie, Kaustuv Manna, Vicky Süß, Cheng-Yi Huang, Nasser Alidoust, Daniel Multer, Songtian S. Zhang, Nana Shumiya, Wang Xirui, Wang Guang-Qiang, Chang Tay-Rong, Claudia Felser, Xu Su-Yang, Shuang Jia, Hsin Lin e M. Zahid Hasan. Cristais quirais topológicos com estados quânticos de arco helicoidal . Nature , 2019 DOI: 10.1038 / s41586-019-1037-2

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190320141014.htm

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