Ao usar raios-X gerados pela Advanced Light Source (ALS), uma instalação de síncrotron no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), estudar um material termoelétrico contendo bismuto que pode converter calor em eletricidade, o físico M. Zahid Hasan, da Universidade de Princeton, viu que algo estava interferindo na visão antecipada do comportamento dos elétrons dentro do material.

Saber como os elétrons se movem dentro deste material foi buscado como uma chave para decifrar como funcionava, portanto, essa interferência - que ele e sua equipe observaram há mais de uma década durante um experimento empregando uma técnica baseada em raios X chamada ARPES (espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido) - foi um problema ... no início.

"Desde 2004, Eu estava envolvido nesta pesquisa em busca de uma melhor compreensão dos materiais termoelétricos à base de bismuto, entre outras coisas, "disse Hasan.

Por volta de 2007, depois de completar mais experimentos de raios-X no ALS e outros síncrotrons, e depois de obter algum entendimento da teoria relacionada às observações de sua equipe, ficaria claro para Hasan que essa obstrução foi na verdade uma descoberta:uma que desencadearia uma revolução na pesquisa de materiais que continua até hoje, e isso poderia eventualmente levar a novas gerações de tecnologias eletrônicas e quânticas.

A pesquisa de matéria topológica é agora um campo florescente de pesquisa na ALS, com vários membros da equipe dedicados a apoiar técnicas de raios-X que se concentram principalmente em suas propriedades.

"Desde 2005, algo na superfície estava me incomodando um pouco, "disse Hasan, um professor de física de Princeton que no final de 2016 se tornou um membro do corpo docente visitante na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e um professor visitante da Miller na UC Berkeley. "Não consegui me livrar dos estados de superfície."

De volta a Princeton, Hasan puxou conversa com um colega professor de física, Duncan Haldane, e ele também falou com Charles Kane, um professor de física da vizinha Universidade da Pensilvânia, por sua visão teórica coletiva sobre os efeitos de superfície que ele estava vendo em alguns materiais contendo bismuto. "Naquela época, eu não estava ciente das previsões teóricas."

Eles discutiram o trabalho teórico, algumas delas datando de várias décadas, que explorou estados "topológicos" bizarros e resilientes nos quais os elétrons podiam se mover sobre a superfície de um material fino com quase nenhuma resistência - como em um supercondutor tradicional, mas com um mecanismo diferente.

O trabalho teórico forneceu poucas pistas sobre como encontrar os efeitos nos materiais que exibem este fenômeno, no entanto. Então, Hasan iniciou um caminho que cruzou os campos da teoria quântica, física de partículas, e matemática complexa.

"Tive que traduzir toda a matemática abstrata para esses experimentos, "disse ele." Foi como traduzir de uma língua estrangeira. "

Avancemos para outubro de 2016, e desta vez Haldane estava descrevendo seu primeiro trabalho teórico durante uma entrevista coletiva para o Prêmio Nobel. Haldane compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2016 com David Thouless, da University of Washington (um ex-pesquisador de pós-doutorado no Berkeley Lab), e J. Michael Kosterlitz, da Brown University, por seu trabalho em "descobertas teóricas de transições de fase topológica e fases topológicas da matéria".

Haldane havia dito no momento do anúncio do Prêmio Nobel, "Eu coloquei no primeiro artigo que é improvável que isso seja algo que alguém possa fazer." O trabalho dele, ele disse, era um "dorminhoco" que "permaneceu por muito tempo como um modelo de brinquedo interessante - ninguém sabia o que fazer com ele".

O que ajudou a dar vida a esse "modelo de brinquedo" foram as teorias posteriores de Kane e colaboradores, e estudos inovadores do ARPES no ALS e outros síncrotrons que investigaram diretamente estados topológicos exóticos em alguns materiais.

Síncrotrons como o ALS têm dezenas de linhas de luz que produzem raios X focados e outros tipos de feixes de luz para uma variedade de experimentos que exploram as propriedades de materiais exóticos e outras amostras em escalas minúsculas, e o ARPES fornece uma janela para as propriedades eletrônicas dos materiais.

O Comitê Nobel, em seus materiais de apoio para o prêmio, citou os primeiros experimentos da equipe de Hasan no ALS em materiais exibindo fases isolantes topológicas. Um isolante topológico atua como um condutor elétrico na superfície e um isolante (sem fluxo elétrico) no interior.

Zahid Hussain, o deputado da divisão na ALS disse:"Hasan é um cientista excepcional com um conhecimento profundo tanto da teoria quanto do experimento. Ele é a razão pela qual isso se tornou experimentalmente visível. Um experimento fez isso."

O trabalho de Hasan forneceu uma demonstração inicial de um isolante topológico 3-D, por exemplo.

Nestes materiais, o movimento do elétron é relativamente robusto, e é imune a muitos tipos de impurezas e deformidades. Os pesquisadores encontraram exemplos de propriedades topológicas em materiais, mesmo em temperatura ambiente.

Esta é uma vantagem crítica sobre os chamados supercondutores de alta temperatura, que deve ser resfriado a temperaturas extremas para atingir um fluxo de elétrons quase sem resistência.

Com materiais topológicos, os elétrons exibem padrões únicos em uma propriedade conhecida como spin do elétron, que é análoga a uma agulha de bússola apontando para cima ou para baixo, e essa propriedade pode mudar com base no caminho e na posição do elétron em um material.

Uma possível aplicação futura para as propriedades de spin de elétrons em materiais topológicos é a spintrônica, um campo emergente que busca controlar a rotação sob demanda para transmitir e armazenar informações, muito parecido com os zeros e uns na memória de computador tradicional.

O Spin também pode ser utilizado como portador de informações em computadores quânticos, que poderia realizar exponencialmente mais cálculos de um certo tipo em um tempo mais curto do que os supercomputadores convencionais.

Jonathan Denlinger, um cientista da equipe do Grupo de Apoio Científico da ALS, disse que os estudos inovadores em materiais com comportamento topológico levaram a uma rápida mudança no foco nas propriedades da superfície dos materiais. Os pesquisadores historicamente estavam mais interessados ​​em elétrons dentro da "massa, "ou dentro de materiais.

O grupo de Hasan usou três linhas de luz ALS - MERLIN, 12.0.1, e 10.0.1 - em estudos ARPES pioneiros de matéria topológica. Hasan foi um co-líder na proposta que levou à construção do MERLIN no início dos anos 2000.

Denlinger, e colegas cientistas da equipe de ALS Alexei Fedorov e Sung-Kwan Mo, trabalhar nessas linhas de luz ALS, que se especializam em ARPES e uma variante relacionada chamada espectroscopia de fotoelétrons resolvidos por spin. As técnicas podem fornecer informações detalhadas sobre como os elétrons viajam nos materiais e também sobre a orientação do spin dos elétrons.

As linhas de luz ARPES no ALS permanecem em alta demanda para pesquisa de matéria topológica. Fedorov disse, "Nos dias de hoje, quase todas as propostas submetidas à nossa linha de luz de uma forma ou de outra tratam de questões topológicas. "

A busca por novas descobertas de matéria topológica no ALS também será impulsionada por uma linha de luz conhecida como MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) que foi aberta aos usuários no ano passado e ajudará a visualizar estruturas exóticas ordenadas formadas em alguns materiais topológicos.

"ALS-U, uma atualização planejada do ALS, deve melhorar e aprimorar os estudos de matéria topológica usando o ALS, "Disse Mo." Isso nos permitirá focar em um ponto muito pequeno, "que poderia revelar mais detalhes no comportamento do elétron da matéria topológica.

O desempenho aprimorado de raios-X pode ajudar a identificar alguns materiais topológicos que antes eram esquecidos, e para melhor distinguir e classificar suas propriedades, Hasan disse.

Os primeiros trabalhos de Hasan em matéria topológica, incluindo isoladores topológicos, o levou à detecção de uma partícula sem massa anteriormente teorizada, conhecida como o férmion de Weyl em semimetais topológicos, e ele agora está planejando um experimento relacionado que espera imitar o período do universo inicial em que as partículas começaram a ganhar massa.

Denlinger, Fedorov, e Mo estão se preparando para mais estudos de matéria topológica, e estão alcançando possíveis colaboradores em Berkeley Lab e na comunidade científica global.

Materiais em nanoescala são muito promissores para aplicações de materiais topológicos, e termoelétricas - os mesmos materiais que podem transferir calor para eletricidade e vice-versa, e isso levou à primeira realização da matéria topológica em experimentos de raios-X - deve haver ganhos de desempenho em curto prazo graças ao ritmo febril de P&D no campo, Fedorov observou.

Hasan, também, disse que está animado com o progresso no campo. "Estamos no meio de uma revolução topológica na física, com certeza, " ele disse.