Pesquisadores de Princeton, Yale, e a Universidade de Zurique propuseram uma abordagem baseada na teoria para caracterizar uma classe de metais que possuem propriedades eletrônicas exóticas que poderiam ajudar os cientistas a encontrar outros, materiais com recursos semelhantes.

Publicado no jornal Revisão Física X , o estudo descreveu uma nova classe de metais com base em sua simetria e uma classificação matemática conhecida como número topológico, que é preditivo de propriedades eletrônicas especiais. Materiais topológicos têm atraído intenso interesse de pesquisa desde o início dos anos 2000, culminando com o Prêmio Nobel de Física do ano passado concedido a três físicos, incluindo o professor de Princeton F. Duncan Haldane, por suas descobertas teóricas nesta área.

"A classificação topológica é uma maneira muito geral de olhar para as propriedades dos materiais, "disse Lukas Muechler, aluna de pós-graduação em Princeton no laboratório do professor Roberto Car e principal autor do artigo.

Uma maneira popular de explicar essa classificação matemática abstrata envolve itens de café da manhã. Na classificação topológica, donuts e xícaras de café são equivalentes porque ambos têm um orifício e podem ser suavemente deformados um no outro. Enquanto isso, os donuts não podem se deformar em muffins, o que os torna desiguais. O número de orifícios é um exemplo de invariante topológico que é igual para o donut e a xícara de café, mas distingue entre o donut e o muffin.

"A ideia é que você realmente não se preocupe com os detalhes. Contanto que dois materiais tenham os mesmos invariantes topológicos, podemos dizer que eles são topologicamente equivalentes, " ele disse.

O interesse de Muechler e seus colegas na classificação topológica desta nova classe de metais foi despertado por uma descoberta peculiar no laboratório vizinho de Princeton, Professor Robert Cava. Enquanto procurava por supercondutividade em um cristal chamado WTe2, o laboratório Cava descobriu que o material pode aumentar continuamente sua resistência em resposta a campos magnéticos cada vez mais fortes - uma propriedade que pode ser usada para construir um sensor de campos magnéticos.

A origem desta propriedade era, Contudo, misterioso. “Este material tem propriedades muito interessantes, mas não havia nenhuma teoria sobre isso, "Disse Muechler.

Os pesquisadores primeiro consideraram o arranjo dos átomos no cristal WTe2. Os padrões no arranjo dos átomos são conhecidos como simetrias, e eles se enquadram em duas classes fundamentalmente diferentes - simórficas e não simórficas - que levam a profundas diferenças nas propriedades eletrônicas, como o transporte de corrente em um campo eletromagnético.

Enquanto WTe2 é composto de muitas camadas de átomos empilhados uns sobre os outros, A equipe de Car descobriu que uma única camada de átomos tem uma simetria não simórfica particular, onde o arranjo atômico permanece inalterado em geral, se primeiro for girado e depois transladado por uma fração do período da rede (veja a figura).

Tendo estabelecido a simetria, os pesquisadores caracterizaram matematicamente todos os estados eletrônicos possíveis com esta simetria, e classificou aqueles estados que podem ser suavemente deformados uns nos outros como topologicamente equivalentes, assim como um donut pode ser deformado em um copo.

A partir desta classificação, eles descobriram que o WTe2 pertence a uma nova classe de metais que eles cunharam como metais topológicos não simórficos. Esses metais são caracterizados por um número de elétrons diferente dos metais não sinmórficos que foram estudados anteriormente.

Em metais topológicos não simórficos, os elétrons que carregam corrente se comportam como partículas relativísticas, isto é, partículas viajando quase à velocidade da luz. Esta propriedade não é tão suscetível a impurezas e defeitos como metais comuns, tornando-os candidatos atraentes para dispositivos eletrônicos.

A classificação topológica abstrata também levou os pesquisadores a sugerir algumas explicações para algumas das excelentes propriedades eletrônicas do WTe2 em massa, o mais importante é sua compensação perfeita, o que significa que tem um número igual de buracos e elétrons. Por meio de simulações teóricas, os pesquisadores descobriram que essa propriedade poderia ser alcançada no empilhamento cristalino tridimensional das monocamadas WTe2, o que foi um resultado surpreendente, Disse Muechler.

"Normalmente, na pesquisa teórica, não há muito que seja inesperado, mas isso simplesmente apareceu, "disse ele." Essa classificação abstrata nos levou diretamente a explicar essa propriedade. Nesse sentido, é uma maneira muito elegante de olhar para este composto e agora você pode realmente entender ou projetar novos compostos com propriedades semelhantes. "

Experimentos recentes de fotoemissão também mostraram que os elétrons em WTe2 absorvem fótons destros de forma diferente do que fariam fótons canhotos. A teoria formulada pelos pesquisadores mostrou que esses experimentos de fotoemissão no WTe2 podem ser entendidos com base nas propriedades topológicas dessa nova classe de metais.

Em estudos futuros, os teóricos querem testar se essas propriedades topológicas também estão presentes em camadas atomicamente finas desses metais, que poderia ser esfoliado de um cristal maior para fazer dispositivos eletrônicos. “O estudo deste fenômeno tem grandes implicações para a indústria eletrônica, mas ainda está em seus anos infantis, "Disse Muechler.