A descoberta do que é essencialmente uma versão 3D do grafeno - as folhas 2D de carbono através das quais os elétrons correm em muitas vezes a velocidade com que se movem através do silício - promete coisas novas e emocionantes para a indústria de alta tecnologia, incluindo transistores muito mais rápidos e discos rígidos muito mais compactos. Uma colaboração de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab) descobriu que o bismutato de sódio pode existir como uma forma de matéria quântica chamada semimetal Dirac topológico tridimensional (3DTDS). Esta é a primeira confirmação experimental de férmions Dirac 3D no interior ou na massa de um material, um novo estado que só recentemente foi proposto por teóricos.

"Um 3DTDS é uma contraparte tridimensional natural do grafeno com mobilidade e velocidade de elétrons semelhantes ou ainda melhores, "diz Yulin Chen, um físico do Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) quando iniciou o estudo que levou a esta descoberta, e agora com a Universidade de Oxford. "Por causa de seus férmions Dirac 3D em massa, um 3DTDS também apresenta magnetorresistência linear não saturante intrigante que pode ser ordens de magnitude maior do que os materiais GMR agora usados ​​em discos rígidos, e abre a porta para sensores ópticos mais eficientes. "

Chen é o autor correspondente de um artigo em Ciência relatando a descoberta. O artigo é intitulado "Descoberta de um Semimetal Topológico Tridimensional de Dirac, N / D ₃ Bi. "Os co-autores foram Zhongkai Liu, Bo Zhou, Yi Zhang, Zhijun Wang, Hongming Weng, Dharmalingam Prabhakaran, Sung-Kwan Mo, Zhi-Xun Shen, Zhong Fang, Xi Dai e Zahid Hussain.

Dois dos novos materiais mais interessantes no mundo da alta tecnologia hoje são o grafeno e os isolantes topológicos, materiais cristalinos que são eletricamente isolantes em massa, mas condutores na superfície. Ambos apresentam férmions Dirac 2D (férmions que não são suas próprias antipartículas), que dão origem a propriedades físicas extraordinárias e altamente cobiçadas. Os isoladores topológicos também possuem uma estrutura eletrônica única, em que os elétrons em massa se comportam como aqueles em um isolador, enquanto os elétrons de superfície se comportam como aqueles em grafeno.

"O rápido desenvolvimento de grafeno e isoladores topológicos levantou questões sobre se existem contrapartes 3D e outros materiais com topologia incomum em sua estrutura eletrônica, "diz Chen." Nossa descoberta responde a ambas as perguntas. No bismutato de sódio que estudamos, as bandas de condução e valência em massa tocam apenas em pontos discretos e se dispersam linearmente ao longo de todas as três direções de momento para formar férmions Dirac 3D em massa. Além disso, a topologia de uma estrutura eletrônica 3DTSD também é tão única quanto a dos isoladores topológicos. "

A descoberta foi feita no Advanced Light Source (ALS), uma instalação de usuário nacional do DOE alojada no Berkeley Lab, usando a linha de luz 10.0.1, que é otimizado para estudos de estrutura de elétrons. A equipe de pesquisa colaboradora desenvolveu primeiro um procedimento especial para sintetizar e transportar adequadamente o bismutato de sódio, um composto semimetálico identificado como um forte candidato a 3DTDS pelos co-autores Fang e Dai, teóricos da Academia Chinesa de Ciências.

Na linha de luz 10.0.1 ALS, os colaboradores determinaram a estrutura eletrônica de seu material usando espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo (ARPES), em que os raios X que atingem uma superfície ou interface material causam a fotoemissão de elétrons em ângulos e energias cinéticas que podem ser medidas para obter um espectro eletrônico detalhado.

"A linha de luz ALS 10.0.1 é perfeita para explorar novos materiais, uma vez que tem uma capacidade única pela qual o analisador é movido em vez da amostra para as varreduras de medição ARPES, "Diz Chen." Isso tornou nosso trabalho muito mais fácil, pois a superfície da amostra clivada de nosso material às vezes tem múltiplas facetas, o que torna os esquemas de medição de amostra rotativa tipicamente empregados para medições ARPES difíceis de realizar. "

O bismutato de sódio é muito instável para ser usado em dispositivos sem embalagem adequada, mas desencadeia a exploração para o desenvolvimento de outros materiais 3DTDS mais adequados para dispositivos do dia a dia, uma busca que já está em andamento. O bismutato de sódio também pode ser usado para demonstrar aplicações potenciais de sistemas 3DTDS, que oferecem algumas vantagens distintas sobre o grafeno.

"Um sistema 3DTDS pode fornecer uma melhoria significativa na eficiência em muitas aplicações em relação ao grafeno devido ao seu volume 3D, "Chen diz." Além disso, a preparação de filmes de grafeno de domínio único atomicamente finos de tamanho grande ainda é um desafio. Poderia ser mais fácil fabricar dispositivos do tipo grafeno para uma ampla gama de aplicações de sistemas 3DTDS. "

Além disso, Chen diz, um sistema 3DTDS também abre a porta para outras novas propriedades físicas, como o diamagnetismo gigante que diverge quando a energia se aproxima do ponto 3D Dirac, magnetorresistência quântica em massa, estruturas únicas de nível Landau sob fortes campos magnéticos, e efeitos Hall oscilantes de spin quântico. Todas essas novas propriedades podem ser uma bênção para futuras tecnologias eletrônicas. Os futuros sistemas 3DTDS também podem servir como uma plataforma ideal para aplicações em spintrônica.