Em uma nova descoberta surpreendente, alfa-estanho, comumente chamado de estanho cinza, exibe uma nova fase eletrônica quando sua estrutura cristalina é tensionada, colocando-o em uma nova classe rara de materiais 3D chamados semimetais topológicos de Dirac (TDSs). Apenas dois outros materiais TDS são conhecidos pela existência, descoberto recentemente em 2013. Alpha-tin agora se junta a esta classe como seu único membro de elemento simples.

Esta descoberta é uma promessa para a nova física e muitas aplicações potenciais em tecnologia. Os resultados são o trabalho de Caizhi Xu, estudante de graduação em física na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, trabalhando sob a orientação do Professor Tai-Chang Chiang da Universidade de I. e em colaboração com cientistas da Advanced Light Source no Lawrence Berkeley National Laboratory e seis outras instituições internacionais.

Os TDSs exibem propriedades eletrônicas semelhantes às dos agora muito estudados isoladores topológicos (TIs) em suas superfícies. As superfícies dos TIs permitem que os elétrons se conduzam livremente como um metal, enquanto o "volume" ou interior se comporta como um isolante. Os elétrons da superfície se comportam como férmions Dirac polarizados de spin sem massa 2D que são robustos contra impurezas não magnéticas, que produz aplicações potenciais em dispositivos spintrônicos e computação quântica tolerante a falhas.

Por contraste, os elétrons em massa em TDSs se comportam como férmions de Dirac sem massa em todas as três dimensões, o que leva a possibilidades adicionais para novos comportamentos físicos.

Xu explica, "Os TDSs são de profundo interesse para os físicos da matéria condensada, principalmente porque eles exibem uma série de novas propriedades físicas, incluindo ultra-alta mobilidade da operadora, magnetorresistência linear gigante, anomalia quiral, e novas oscilações quânticas. Em segundo lugar, esta classe de materiais pode realizar muitas fases topológicas interessantes - sob condições controladas, o material pode sofrer transições de fase e pode se tornar um isolante topológico, um semimetal Weyl, ou um supercondutor topológico. "

O estanho tem dois alótropos bem conhecidos:a 13,2 ° Celsius e acima, lata branca, ou beta-estanho, é metálico. Abaixo dessa temperatura, a estrutura atômica das transições de estanho, e o material se torna estanho cinza, ou alfa-estanho, que é semimetálico. Em filmes finos crescidos em um substrato como antimoneto de índio (InSb), Contudo, a temperatura de transição do estanho sobe até 200 ° C, o que significa que o alfa-estanho permanece estável bem acima da temperatura ambiente.

Normalmente, A estrutura de cristal cúbico de diamante de alfa-estanho exibe uma fase semimetálica comum - e o material não tem usos comuns atualmente. Na verdade, O estanho cinza pode ser problemático em muitas aplicações que envolvem estanho - o chamado problema da "praga do estanho" é a formação de estanho cinza que causa a desintegração das peças que contêm estanho branco.

Em seu experimento, Xu et al. projetou uma tensão no material, cultivando amostras de alfa-estanho em camadas em um substrato de outro material cristalino, InSb, que tem uma constante de rede ligeiramente diferente.

"Essa incompatibilidade de rede leva à tensão, ou compressão, no alfa-estanho, "Xu continua explicando." Acreditava-se que a cepa abriria uma lacuna de banda no estanho cinza e o transformaria em um TI. Em alguns estudos recentes, os pesquisadores observaram estados de superfície topológicos no estanho deformado, mas eles não observaram a lacuna de banda induzida por deformação porque não foram capazes de acessar a banda de condução. Neste estudo, usamos dopagem de potássio e com este método simples conseguimos atingir a banda de condutância. Pudemos ver a dispersão de banda linear e sem intervalos que é a marca registrada de um semimetal Dirac.

"Esta descoberta é um tanto inesperada. Decidi estudar o material por causa de sua conhecida fase de TI. Depois de me aprofundar nos resultados experimentais e realizar alguns cálculos teóricos, o que descobri é que alfa-estanho sob uma tensão compressiva não é um isolante, como se pensava. Acontece que é um semimetal de Dirac. Nossos cálculos também mostram que é apenas sob uma tensão de tração que o alfa-estanho se torna um TI. "

Chiang acredita que essas descobertas abrirão novos caminhos de pesquisa:"O trabalho de Caizhi Xu ilustra que uma nova física interessante ainda pode ser encontrada em materiais comuns simples, como estanho cinza, que é conhecido e estudado há décadas. "

"Está claro a partir deste estudo que a engenharia de deformações pode abrir muitas possibilidades, "Chiang continua." Meu grupo está explorando uma maneira diferente de aplicar tensão, esticando mecanicamente uma amostra. A tensão será uniaxial - ao longo de apenas uma direção - e será ajustável, mas limitado pela quebra da amostra. "

A humanidade extraiu e usou estanho em ligas desde a Idade do Bronze, c. 3000 ANTES DE CRISTO. Antes do advento das latas de alumínio, latas, que eram na verdade aço revestido de estanho, foram usados ​​na preservação de alimentos. Com esta descoberta, alfa-estanho pode ser um material altamente útil em tecnologias futuras.

Xu compartilha, "As aplicações potenciais de alfa-estanho como um semimetal de Dirac topológico podem incluir o aproveitamento de sua alta mobilidade de portadora para gerar dispositivos eletrônicos ultrarrápidos. a resistência ao magneto gigante pode ser útil no desenvolvimento de dispositivos de armazenamento ultracompactos, como discos rígidos de computador.

"Além disso, este material pode ser uma plataforma para outras pesquisas fundamentais relacionadas às propriedades ópticas, ou para transportar propriedades, incluindo supercondutividade. Há até potencial para que possa ser usado como uma plataforma para a realização de férmions de Majorana. Acredito que nossa nova descoberta será do interesse de muitos físicos. "

Essas descobertas foram publicadas em 4 de abril, 2017 Cartas de revisão física , no artigo "Elemental topológico Dirac semimetal α-Sn em InSb."