Uma equipe internacional de pesquisadores criou uma nova estrutura que permite o ajuste de propriedades topológicas de forma a ligar ou desligar esses comportamentos únicos. A estrutura pode abrir possibilidades para novas explorações nas propriedades dos estados topológicos da matéria.

"Esta é uma nova direção empolgante na pesquisa de matéria topológica, "disse M. Zahid Hasan, professor de física da Universidade de Princeton e investigador do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia, que liderou o estudo, que foi publicado em 24 de março na revista Avanços da Ciência . "Estamos projetando novos estados topológicos que não ocorrem naturalmente, abrindo inúmeras possibilidades exóticas para controlar o comportamento desses materiais. "

A nova estrutura consiste em camadas alternadas de topologia e normal, ou trivial, isoladores, uma arquitetura que permite aos pesquisadores ligar ou desligar o fluxo de corrente através da estrutura. A capacidade de controlar a corrente sugere possibilidades para circuitos baseados em comportamentos topológicos, mas talvez o mais importante apresente uma nova estrutura de rede de cristal artificial para estudar comportamentos quânticos.

As teorias por trás das propriedades topológicas da matéria foram o tema do Prêmio Nobel de Física de 2016 concedido a F. Duncan Haldane da Universidade de Princeton e dois outros cientistas. Uma classe de matéria são os isolantes topológicos, que são isolantes por dentro, mas permitem que a corrente flua sem resistência nas superfícies.

Na nova estrutura, interfaces entre as camadas criam uma rede unidimensional na qual estados topológicos podem existir. A natureza unidimensional da rede pode ser pensada como se fosse cortar o material e remover uma fatia muito fina, e, em seguida, observe a borda fina da fatia. Esta rede unidimensional se assemelha a uma cadeia de átomos artificiais. Esse comportamento é emergente porque surge apenas quando muitas camadas são empilhadas juntas.

Ao alterar a composição das camadas, os pesquisadores podem controlar o salto de partículas semelhantes a elétrons, chamados férmions de Dirac, através do material. Por exemplo, ao tornar a camada isolante trivial relativamente espessa - ainda apenas cerca de quatro nanômetros - os férmions de Dirac não podem viajar através dela, tornando toda a estrutura efetivamente um isolante trivial. Contudo, se a camada isolante trivial for fina - cerca de um nanômetro - os férmions de Dirac podem fazer um túnel de uma camada topológica para a próxima.

Para moldar os dois materiais, a equipe de Princeton trabalhou com pesquisadores da Rutgers University liderada por Seongshik Oh, professor associado de física, que em colaboração com Hasan e outros mostrou em 2012 em trabalho publicado em Cartas de revisão física que adicionar índio a um isolante topológico, seleneto de bismuto, fez com que se tornasse um isolante trivial. Antes disso, o seleneto de bismuto (Bi2Se3) foi teoricamente e experimentalmente identificado como um isolante topológico pela equipe de Hasan, que foi publicado em Natureza em 2009.

"Nós tínhamos mostrado isso, dependendo de quanto índio você adiciona, o material resultante tinha esta bela propriedade ajustável de isolante trivial a topológico, "Oh disse, referente ao estudo de 2012.

Os alunos de pós-graduação Ilya Belopolski de Princeton e Nikesh Koirala de Rutgers combinaram duas técnicas de ponta com o desenvolvimento de novos instrumentos e trabalharam juntos na estratificação desses dois materiais, seleneto de bismuto e seleneto de bismuto de índio, para projetar a estrutura ideal. Um dos desafios era fazer com que as estruturas de treliça dos dois materiais combinassem de modo que os férmions de Dirac pudessem pular de uma camada para a outra. Belopolski e Suyang Xu trabalharam com colegas da Universidade de Princeton, Lawrence Berkeley National Laboratory e várias instituições usam espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido de alta resolução para otimizar o comportamento dos férmions de Dirac com base em um ciclo de feedback de crescimento para medição.

Embora nenhum estado topologicamente semelhante exista naturalmente, os pesquisadores observam que um comportamento análogo pode ser encontrado em uma cadeia de poliacetileno, que é um modelo conhecido de comportamento topológico unidimensional, conforme descrito pelo modelo teórico de um polímero orgânico de Su-Schrieffer-Heeger de 1979.

A pesquisa apresenta uma incursão na fabricação de materiais topológicos artificiais, Hasan disse. "Na natureza, o que quer que seja um material, isolante topológico ou não, você está preso a isso, "Hasan disse." Aqui estamos ajustando o sistema de uma forma que possamos decidir em que fase ele deve existir; podemos projetar o comportamento topológico. "

A capacidade de controlar a viagem de férmions de Dirac semelhantes à luz pode eventualmente levar futuros pesquisadores a aproveitar o fluxo de corrente sem resistência visto em materiais topológicos. "Esses tipos de heteroestruturas topologicamente ajustáveis ​​são um passo em direção às aplicações, fazer dispositivos onde os efeitos topológicos podem ser utilizados, "Hasan disse.

O grupo Hasan planeja explorar mais maneiras de ajustar a espessura e explorar os estados topológicos em conexão com o efeito Hall quântico, supercondutividade, magnetismo, e estados de matéria de férmions de Majorana e Weyl.