p Uma equipe internacional de pesquisadores, trabalhando no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e na UC Berkeley, fabricou um material atomicamente fino e mediu suas propriedades exóticas e duráveis ​​que o tornam um candidato promissor para um ramo emergente da eletrônica conhecido como "spintrônica". p O material - conhecido como 1T'-WTe2 - une dois campos florescentes de pesquisa:o dos chamados materiais 2-D, que incluem materiais de monocamada, como grafeno, que se comportam de maneiras diferentes das formas mais espessas; e materiais topológicos, em que os elétrons podem ziguezaguear de maneiras previsíveis com quase nenhuma resistência e independentemente dos defeitos que normalmente impediriam seu movimento.

p Nas bordas deste material, o spin dos elétrons - uma propriedade da partícula que funciona um pouco como a agulha de uma bússola apontando para o norte ou para o sul - e seu momentum são intimamente ligados e previsíveis.

p Esta última evidência experimental pode elevar o uso do material como objeto de teste para aplicações de última geração, como uma nova geração de dispositivos eletrônicos que manipulam sua propriedade de rotação para transportar e armazenar dados com mais eficiência do que os dispositivos atuais. Essas características são fundamentais para a spintrônica.

p O material é chamado de isolante topológico porque sua superfície interna não conduz eletricidade, e sua condutividade elétrica (o fluxo de elétrons) é restrita às suas bordas.

p “Este material deve ser muito útil para estudos de spintrônica, "disse Sung-Kwan Mo, um físico e cientista da equipe do Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) que co-liderou o estudo, publicado hoje em Física da Natureza .

p "O fluxo de elétrons está completamente ligado à direção de seus spins, e é limitado apenas às bordas do material, "Disse Mo." Os elétrons viajarão em uma direção, e com um tipo de giro, que é uma qualidade útil para dispositivos spintrônicos. "Tais dispositivos poderiam transportar dados de forma mais fluida, com menores demandas de energia e acúmulo de calor do que é típico para os dispositivos eletrônicos atuais.

p "Estamos entusiasmados com o fato de termos encontrado outra família de materiais onde podemos explorar a física de isoladores topológicos 2-D e fazer experimentos que podem levar a aplicações futuras, "disse Zhi-Xun Shen, um professor de Ciências Físicas na Universidade de Stanford e o Conselheiro de Ciência e Tecnologia no SLAC National Accelerator Laboratory, que também co-liderou o esforço de pesquisa. "Esta classe geral de materiais é conhecida por ser robusta e por se manter bem sob várias condições experimentais, e essas qualidades devem permitir que o campo se desenvolva mais rapidamente, " ele adicionou.

p O material foi fabricado e estudado na ALS, uma instalação de pesquisa de raios-X conhecida como síncrotron. Shujie Tang, pesquisador visitante de pós-doutorado no Berkeley Lab e na Stanford University, e um co-autor principal do estudo, foi fundamental para o crescimento de amostras cristalinas de 3 átomos de espessura do material em um ambiente altamente purificado, compartimento selado a vácuo no ALS, usando um processo conhecido como epitaxia de feixe molecular.

p As amostras de alta pureza foram então estudadas no ALS usando uma técnica conhecida como ARPES (ou espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido), que fornece uma poderosa sonda das propriedades eletrônicas dos materiais.

p "Depois de refinarmos a receita de crescimento, nós medimos isso com ARPES. Nós imediatamente reconhecemos a estrutura eletrônica característica de um isolador topológico 2-D, "Tang disse, com base na teoria e previsões. “Fomos os primeiros a realizar este tipo de medição neste material”.

p Mas porque a parte condutora deste material, em sua borda externa, medido apenas alguns nanômetros de espessura - milhares de vezes mais fino do que o foco do feixe de raios-X - era difícil identificar positivamente todas as propriedades eletrônicas do material.

p Assim, os colaboradores da UC Berkeley realizaram medições adicionais na escala atômica usando uma técnica conhecida como STM, ou microscopia de tunelamento de varredura. "STM mediu seu estado de borda diretamente, então essa foi uma contribuição muito importante, "Tang disse.

p O esforço de pesquisa, que começou em 2015, envolveu mais de duas dezenas de pesquisadores em uma variedade de disciplinas. A equipe de pesquisa também se beneficiou do trabalho computacional no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab.

p Os materiais bidimensionais têm propriedades eletrônicas exclusivas que são consideradas essenciais para adaptá-los para aplicações de spintrônica, e há um esforço mundial muito ativo de P&D focado na adaptação desses materiais para usos específicos, empilhando seletivamente diferentes tipos.

p "Os pesquisadores estão tentando colocá-los um em cima do outro para ajustar o material como desejam - como blocos de Lego, "Mo disse." Agora que temos provas experimentais das propriedades deste material, queremos empilhá-lo com outros materiais para ver como essas propriedades mudam. "

p Um problema típico na criação de tais materiais de design a partir de camadas atomicamente finas é que os materiais normalmente têm defeitos em nanoescala que podem ser difíceis de eliminar e que podem afetar seu desempenho. Mas porque 1T'-WTe2 é um isolante topológico, suas propriedades eletrônicas são por natureza resilientes.

p "Em nanoescala, pode não ser um cristal perfeito, "Mo disse, "mas a beleza dos materiais topológicos é que mesmo quando você tem cristais menos do que perfeitos, os estados de extremidade sobrevivem. As imperfeições não quebram as propriedades-chave. "

p Daqui para frente, os pesquisadores pretendem desenvolver amostras maiores do material e descobrir como ajustar seletivamente e acentuar propriedades específicas. Além de suas propriedades topológicas, seus "materiais irmãos, "que têm propriedades semelhantes e também foram estudadas pela equipe de pesquisa, são conhecidos por serem sensíveis à luz e têm propriedades úteis para células solares e para optoeletrônica, que controlam a luz para uso em dispositivos eletrônicos.