Junção WTe2 Josephson:as placas verdes são camadas de WTe2, barras laranja são eletrodos de nióbio, e as linhas vermelhas e azuis denotam eletrodos de spin up e spin down viajando em duas dobradiças das amostras. Crédito:Gil-Ho Lee (POSTECH)
Na última década, o campo da física da matéria condensada viveu uma idade de ouro com a descoberta de novos materiais e propriedades, e tecnologias relacionadas sendo desenvolvidas em uma velocidade vertiginosa graças à chegada da física topológica. A física topológica decolou em 2008 com a descoberta do isolante topológico, um tipo de material que é eletricamente isolante a granel, mas metálico na superfície.
Desde então, cientistas encontraram fases topológicas mais exóticas, incluindo semimetais de Dirac, Semimetais de Weyl e isoladores axiônicos. Mas, mais recentemente, materiais que são isolantes a granel em superfícies e bordas, mas são metálicos apenas nas dobradiças ou nos cantos, foram teoricamente previstos. Esses novos materiais bizarros chamados de isoladores topológicos de ordem superior são extremamente raros e apenas o elemento bismuto foi experimentalmente comprovado como possivelmente pertencendo a esta categoria até agora.
Afinal, o que é um estado de dobradiça? Imagine uma caixa - mais longa e mais larga do que alta - com abas na parte superior e inferior que você pode abrir para colocar as coisas dentro. O espaço dentro da caixa seria chamado de bulk. A maioria dos materiais que conduzem eletricidade o faz a granel. Contudo, em isoladores topológicos, a maior parte da caixa é eletricamente isolante, mas a parte superior e inferior - as abas - são metálicas e mantêm os estados da superfície. Para alguns materiais, o volume, a parte superior e inferior da caixa são isolantes, mas as laterais (bordas) são metálicas. Estes têm estados de borda que foram demonstrados em isoladores topológicos magnéticos. Finalmente, em isoladores topológicos de ordem superior, o volume, principal, a parte inferior e as laterais da caixa são isolantes, mas as dobradiças e cantos da caixa são metálicos e possuem diferentes estados de dobradiça ou canto. Também foi previsto que esses estados de dobradiça existam em semimetais topológicos como o bismuto. Espera-se que os estados de dobradiça em particular sejam promissores para o estudo da spintrônica porque a direção de sua propagação está ligada ao seu spin, bem como para os férmions de Majorana, que estão sendo ativamente investigados por suas aplicações em computação quântica tolerante a falhas.
Agora, uma equipe internacional de cientistas dos Estados Unidos, Hong Kong, Alemanha, e a Coreia do Sul identificaram um novo isolador topológico de ordem superior. É um dichalcogeneto de metal de transição bidimensional em camadas (TMDC) denominado WTe2. Este é um material famoso na física da matéria condensada que apresenta uma variedade de propriedades exóticas, desde a magnetorresistência titânica até o efeito spin hall quantizado. Foi o primeiro exemplo de um semimetal Weyl Tipo II que pode ser transformado em dispositivos com apenas uma camada de espessura e esfoliante como o grafeno. WTe 2 também demonstrou superconduzir sob pressão, o que significa que os elétrons formam pares e uma supercorrente viaja através dele sem qualquer resistência.
Somando-se a este carnaval de propriedades, físicos teóricos em 2019 imaginaram WTe 2 e seu material irmão MoTe 2 para serem isoladores topológicos de ordem superior com estados de dobradiça metálicos. Muitas equipes de pesquisa em todo o mundo, desde então, buscaram evidências desses estados exóticos no WTe 2 e MoTe 2 e alguns resultados recentes mostraram que existem estados condutores extras em suas bordas. Mas os pesquisadores não conseguiram identificar se esses eram realmente os estados de borda ou os altamente procurados estados de dobradiça.
Em um estudo publicado em Materiais da Natureza em 6 de julho, 2020, a equipe liderada por Kin Chung Fong (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Ali (Instituto Max Plank de Física de Microestrutura e também Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong) e Gil-Ho Lee (Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, e o Centro de Física Teórica da Ásia-Pacífico) adotaram uma nova abordagem, usando as junções Josephson para resolver espacialmente o fluxo de supercorrente e para mostrar que WTe 2 de fato parece ter estados de dobradiça e ser um isolante topológico de ordem superior (Link para o papel).
As junções Josephson são um dispositivo e uma ferramenta incrivelmente importante na física. Eles são usados em uma variedade de aplicações tecnológicas, incluindo máquinas de imagem por ressonância magnética (MRI), bem como em qubits, que são blocos de construção de computadores quânticos. Essas junções são formadas quando dois eletrodos supercondutores como o nióbio (Nb) são conectados por uma ponte não supercondutora como um WTe de alta qualidade 2 em um dispositivo de filme fino. Quando a temperatura baixa o suficiente, a supercorrente que é injetada de um eletrodo Nb pode viajar pela ponte sem resistência para o outro eletrodo Nb. Portanto, o dispositivo geral mostra resistência zero e é considerado supercondutor.
Contudo, nenhuma quantidade infinita de supercorrente pode ser enviada através da ponte enquanto retém a supercondutividade. Quando a corrente injetada excede uma corrente crítica, a junção se transforma em um estado normal e exibe resistência finita. O efeito Josephson afirma que, em função do campo magnético aplicado, the critical current will oscillate in a Fraunhofer pattern between high and low values due to the changing phase of the superconducting wave-function across the sample.
The team realized that hidden in this oscillation is location information of the supercurrent while it travels in the sample. By taking an inverse Fourier transform of the Fraunhofer pattern, the researchers were able to visualize the supercurrent flow in the sample and found that it indeed travels on the sides of the WTe 2 dispositivo. Contudo, this was not enough to distinguish the edge states from the hinge states.
As shown in the figure below, due to a quirk in the symmetry-based origin of the hinge states, not all hinges are identical on the WTe 2 amostra. Por exemplo, there are metallic hinge states on top left and bottom right hinges on the sample but not on the top right or bottom left. This is different from an edge state, which would simply be existing on the entirety of the left and right sides of the sample. Regarding this, Kin Chung Fong of Raytheon BBN Technologies explains, "We used this difference to our advantage. By connecting superconducting electrodes on just the top half of the sample and not the bottom half, we realized we would see a different Fraunhofer pattern if hinge states existed and not edge states." He further commented, "In this configuration, electrodes would connect to only one of the hinge states (i.e. top left and not bottom right), which would show a distinct Fraunhofer pattern. If there were edge states, this configuration wouldn't be any different than connecting to both the bottom and top halves of the sample and the Fraunhofer would look the same." When they carried out this challenging experiment, they observed the hallmark of the hinge state, not the edge state.
"But that's not all. WTe 2 is a fairly low-symmetry orthorhombic material with high crystalline anisotropy. The different directions in the crystal are not equivalent and we also theorized and confirmed that the hinge states existing in WTe 2 aren't all equivalent either. In some directions, they mix into the bulk while in other directions they don't, " explained Kam Tuen Law at Hong Kong University of Science and Technology.
"There is a variety of exciting physics to be explored in these compounds in the near future now that hinge states have been found in WTe 2 , " remarked Gil Ho Lee of Pohang University of Science and Technology. He added, "The possibility for dissipationless interconnections, true 1D superconducting nano-wires and spintronics devices, topological superconductivity, Majorana fermions and correspondingly topological quantum computers are all on the horizon."
Mazhar N. Ali at the Max Plank Institute of Microstructure Physics explained, "WTe 2 may be the second material shown to host hinge states, but it is very different from the other candidate, bismuth. Being 2-D, WTe 2 is easily fabricable into nano-devices with controlled surfaces, and can be layered on top of other 2-D materials in heterostructures and even on top of itself when slightly twisted to form a Moire superlattice." He added, "Its sister material MoTe 2 is expected to exhibit the same hinge states but it is an intrinsic superconductor at low temperatures." He concludes, "How can these hinge states be modified, controlled, and used? There are a lot of exciting research opportunities ahead."
