Esta é a história de um material único - feito de um único composto, ele conduz elétrons de maneiras diferentes em suas diferentes superfícies e não conduz absolutamente em seu meio. É também a história de três grupos de pesquisa - dois no Instituto de Ciência Weizmann e um na Alemanha, e o vínculo único que se formou entre eles.

O material pertence a um grupo de materiais conhecidos como isolantes topológicos, descoberto há uma década e meia. Esses materiais são condutores em suas superfícies e isolantes em seu interior. Mas as duas propriedades são inseparáveis:corte o material, e a nova superfície será condutora, a maior parte permanecerá isolante.

Uns cinco anos atrás, O Dr. Nurit Avraham estava começando como cientista da equipe do novo grupo do Dr. Haim Beidenkopf, do Departamento de Física da Matéria Condensada do Instituto. Naquela época, ela e Beidenkopf conheceram o Prof. Binghai Yan quando ele teve sua primeira visita científica ao Instituto Weizmann. Naquela época, Yan estava trabalhando como líder de grupo júnior no grupo da Prof. Claudia Felser, uma cientista de materiais que estava desenvolvendo novos tipos de materiais topológicos em seu laboratório no Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos em Dresden. Beidenkopf e seu grupo são especializados em classificar e medir esses materiais na escala de átomos individuais e os caminhos de elétrons individuais, enquanto Yan se voltava para a teoria - prevendo como esses materiais deveriam se comportar e elaborando os modelos matemáticos que explicam seu comportamento incomum.

Avraham e Beidenkopf estavam interessados ​​em descobrir as propriedades de um tipo especial de isolante topológico no qual a estrutura química é organizada em camadas. Como as camadas afetariam a maneira como os elétrons são conduzidos sobre a superfície do material? Teoricamente, Esperava-se que camadas de empilhamento de isolador topológico 2-D formassem um isolante topológico 3-D no qual algumas das superfícies são condutoras e outras isolantes. Yan sugeriu que trabalhassem com um novo material previsto por ele e posteriormente desenvolvido no laboratório de Felser. Breve, os grupos Weizmann e Max Planck começaram a colaborar.

Avraham liderou o projeto, obtenção de amostras do material do laboratório de Felser, realizando as medições, e trabalhando com Yan para ver se as previsões teóricas seriam confirmadas experimentalmente. Conforme a colaboração se aprofundou, Beidenkopf e Avraham conseguiram que a Faculdade de Física convidasse Yan novamente para o Instituto, e essa visita acabou levando Yan a deixar a Alemanha e se mudar com sua família para Rehovot para assumir um cargo no Departamento de Física da Matéria Condensada do Instituto. "Essa decisão foi um ponto de viragem que me colocaria no meu caminho de carreira atual, "disse Yan.

Nos próximos anos, Beidenkopf, Avraham, Yan e Felser colaborariam em vários projetos de pesquisa, explorando as propriedades de várias classes de materiais topológicos. Mas a compreensão deste material específico - um composto de bismuto, telúrio e iodo - acabaria sendo um projeto de longo prazo. Começar com, Yan analisou a estrutura da banda do material - em outras palavras, os estados que os elétrons têm "permissão" de habitar. Quando as bandas se cruzam em massa em um estado denominado inversão de banda, eles evitam que os elétrons se movam por dentro, mas permita que eles se movam na superfície. Essa "projeção" de um estado que surge na massa de um material na superfície é o que dá aos materiais topológicos suas propriedades especiais.

Avraham e Beidenkopf trabalharam com amostras que foram clivadas, expor novas superfícies fora da estrutura em camadas. Eles usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) em seu laboratório para rastrear a densidade de elétrons nas diferentes partes do material. A teoria previa que as medições da superfície revelariam um material que se comporta como um isolante topológico fraco, sendo assim metálico nas bordas e isolante nas superfícies superior e inferior. Isoladores topológicos fracos são uma classe de materiais topológicos que foram previstos anteriormente, mas ainda não provado experimentalmente, portanto, o grupo esperava descobrir essas propriedades características nas superfícies das bordas. Os pesquisadores fizeram, na verdade, descobrir que o material agiu como um isolante topológico fraco em seus lados fendidos. Mas no topo e no fundo de suas amostras, o grupo encontrou evidências indicando um forte isolante topológico, em vez do isolador que havia sido previsto.

Poderia este material não ser apenas ao mesmo tempo isolante e condutor, mas conduzir de duas maneiras diferentes? Conforme os pesquisadores continuaram a experimentar, testando o material com diferentes métodos e confirmando seus resultados originais, eles continuaram a confundir com Yan sobre os resultados estranhos. Em um ponto, diz Avraham, eles até mediram um novo lote de amostras que foram cultivadas independentemente pela professora júnior Anna Isaeva e pelo Dr. Alexander Zeugner na Technische Universitaet Dresden, apenas para ter certeza de que os resultados eram gerais e não uma propriedade acidental de um determinado lote de amostras.

Parte de sua eventual descoberta, diz Yan, veio de um artigo de pesquisa teórica publicado por outro grupo de física que conjecturou como tal material duplo poderia funcionar. Os materiais topológicos às vezes são classificados de acordo com sua simetria - uma propriedade da estrutura atômica do material. Os cientistas procuraram lugares nas superfícies onde qualquer simetria seria quebrada devido a falhas ou irregularidades na superfície, que, espalhando elétrons, afetaria as propriedades naquele local e destacaria o tipo de simetria protegendo cada estado topológico.

Finalmente, teoria e experimento se juntaram para mostrar, em um artigo publicado em Materiais da Natureza , que o material é, na verdade, dois tipos diferentes de isolante topológico em um. As camadas expostas das superfícies laterais da fenda criam "bordas em degraus" que canalizam os elétrons para certos caminhos. Enquanto os lados são protegidos por inversão de tempo e simetria translacional, os topos e fundos são protegidos por simetria de espelho cristalino, dando origem a um estado semelhante ao de um metal no qual os elétrons podem se mover.

Embora essa combinação dois em um tornasse um desafio classificar o material topologicamente - um dos principais objetivos dessas medições -, os pesquisadores acreditam que outros novos materiais topológicos podem ter essas propriedades duais. Isso abre a possibilidade de materiais de engenharia terem várias propriedades elétricas desejadas em um.

"Tecnicamente, o trabalho foi desafiador, mas a história, em si, acabou sendo simples, "diz Yan.

"É também a história de uma grande amizade e o que acontece quando você pode ter uma colaboração científica tão próxima, "diz Avraham.

"E tudo começou com uma pergunta sobre um tipo específico de material, "adiciona Beidenkopf.