Físicos da Universidade de Würzburg fizeram uma descoberta surpreendente em um tipo específico de isoladores topológicos. O efeito é devido à estrutura dos materiais usados. Os pesquisadores já publicaram seus trabalhos na revista Ciência .

Isoladores topológicos são atualmente o tema quente da física, de acordo com o jornal Neue Zürcher Zeitung. Apenas algumas semanas atrás, sua importância foi destacada novamente quando a Real Academia Sueca de Ciências em Estocolmo concedeu o Prêmio Nobel de Física deste ano a três cientistas britânicos por suas pesquisas das chamadas transições de fase topológica e fases topológicas da matéria.

Isoladores topológicos também estão sendo estudados nos Departamentos de Física Experimental II e Física Teórica I da Universidade de Würzburg. Contudo, eles se concentram em uma versão especial de isoladores chamados isoladores cristalinos topológicos (TCI). Em cooperação com a Academia Polonesa de Ciências de Varsóvia e a Universidade de Zurique, Os físicos de Würzburg agora alcançaram um grande avanço. Eles foram capazes de detectar novos estados eletrônicos da matéria nesses isoladores. Os resultados de seu trabalho são publicados na última edição da Ciência .

Elétrons diretos das bordas dos degraus

O resultado central:quando os materiais cristalinos são divididos, pequenos terraços atomicamente planos emergem nas superfícies divididas que são separadas umas das outras por bordas de degrau. Dentro dessas estruturas, canais condutores para correntes elétricas se formam, os quais são extremamente estreitos em apenas cerca de 10 nm e surpreendentemente robustos contra perturbações externas. Os elétrons viajam nesses canais condutores com diferentes spin em direções opostas - semelhante a uma rodovia com pistas separadas para as duas direções. Esse efeito torna os materiais interessantes para aplicações tecnológicas em futuros componentes eletrônicos, como computadores ultrarrápidos e com baixo consumo de energia.

"Os TCIs são relativamente simples de produzir e já são diferentes dos materiais convencionais devido à sua estrutura cristalina especial, "O Dr. Paolo Sessi explica os antecedentes do artigo publicado recentemente. Sessi é um pesquisador do Departamento de Física Experimental II e o principal autor do estudo. Além disso, esses materiais devem sua qualidade especial às suas propriedades eletrônicas:Em materiais topológicos, a direção do spin determina a direção em que os elétrons viajam. Simplificando, o "spin" pode ser interpretado como um dipolo magnético que pode apontar em duas direções ("para cima" e "para baixo"). De acordo, elétrons de spin para cima em TCIs movem-se em um e elétrons de spin para baixo na outra direção.

É tudo sobre o número de camadas atômicas

"Mas, antes, os cientistas não sabiam como produzir os canais condutores necessários para esse fim, "diz o professor Matthias Bode, Chefe do Departamento de Física Experimental II e coautor do estudo. Foi o acaso que agora colocou os pesquisadores no caminho certo:eles descobriram que canais condutores muito estreitos ocorrem naturalmente ao dividir o seleneto de chumbo e estanho (PbSnSe), um isolante cristalino.

As bordas dos fragmentos nas superfícies dos fragmentos causam esse fenômeno. Eles podem ser fotografados usando uma microscopia de tunelamento de varredura de alta resolução, ou mais precisamente, a altura das bordas do degrau correspondentes. "As bordas que unem um número par de camadas atômicas são totalmente imperceptíveis. Mas se as bordas abrangem um número ímpar de camadas atômicas, uma pequena área de cerca de 10 nm de largura é criada com as propriedades dos canais condutores eletrônicos que estávamos procurando, "Sessi explica.

O padrão quebra na borda

Com o apoio de seus colegas do Departamento de Física Teórica I e da Universidade de Zurique, os físicos experimentais foram capazes de lançar luz sobre a origem desses novos estados eletrônicos. Para entender o princípio, um pouco de senso espacial é necessário:

“A estrutura cristalina causa um layout dos átomos onde os diferentes elementos se alternam como os quadrados pretos e brancos de um tabuleiro de xadrez, "Matthias Bode explica. Este padrão alternado de preto e branco se aplica a ambos os quadrados que são adjacentes e quadrados situados abaixo e um em cima do outro.

Portanto, se a rachadura deste cristal percorrer diferentes camadas atômicas, mais de uma borda é criada lá. Visto de cima, quadrados brancos também podem confinar com outros quadrados brancos ao longo desta borda e quadrados pretos para outros quadrados pretos - ou átomos idênticos para átomos idênticos. Contudo, isso só funciona se um número ímpar de camadas atômicas for responsável pela diferença na altura das duas superfícies.

Apoiado por cálculos

"Cálculos mostram que esse deslocamento na superfície é na verdade causador desses novos estados eletrônicos, "diz Paolo Sessi. Além disso, eles provam que o fenômeno dos canais condutores dependentes de spin, que é característico de materiais topológicos, ocorre aqui também.

De acordo com os cientistas, esta propriedade em particular torna a descoberta relevante para aplicações potenciais, porque tais canais condutores causam baixa perda de condução por um lado e podem ser usados ​​diretamente para transmitir e processar informações no campo da spintrônica, por outro.

Contudo, várias perguntas precisam ser respondidas e desafios a serem superados antes que isso se torne realidade. Por exemplo, os cientistas ainda não têm certeza sobre quais distâncias as correntes nos canais condutores recém-descobertos podem ser transportadas. Também, a fim de ser implementado em circuitos, métodos teriam que ser desenvolvidos para permitir a criação de bordas de degraus de uma altura definida ao longo de direções especificadas.