Um grupo de físicos do MIPT e do Instituto Landau de Física Teórica da Academia Russa de Ciências está agora um passo mais perto de encontrar aplicações para isoladores topológicos - materiais com propriedades elétricas notáveis, que até recentemente, foram considerados meramente hipotéticos. Os pesquisadores obtiveram insights sobre a interação entre os átomos de impurezas magnéticas em tais materiais.

Os isoladores topológicos são uma importante descoberta da física do século XXI. Eles foram primeiro previstos teoricamente e só então observados experimentalmente. A maior parte desses materiais exibe um comportamento típico de semicondutor. Mas suas propriedades na superfície (na borda) são muito semelhantes às dos metais. Por exemplo, a corrente elétrica pode fluir livremente em suas superfícies. Espera-se que suas propriedades únicas sejam úteis para a construção de circuitos eletrônicos com perda mínima de calor, computadores quânticos, e outros dispositivos avançados.

Contudo, para fazer dispositivos práticos baseados em isoladores topológicos, é necessário entender como suas propriedades são afetadas por imperfeições estruturais, como a presença de átomos com momento magnético diferente de zero. O momento magnético de um átomo caracteriza a força do campo magnético que o átomo é capaz de criar.

A interação entre átomos com momentos magnéticos - estes incluem ferro e manganês - foi investigada em muitos estudos. Pode ocorrer em metais e é então chamada de interação Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida, em homenagem aos quatro físicos teóricos que o estudaram já em meados da década de 1950. Também ocorre em semicondutores, nesse caso, é conhecido como interação de troca indireta. Este tipo foi originalmente estudado teoricamente por Bloembergen e Rowland em 1955. Outra contribuição significativa para o estudo da interação de troca indireta foi feita por A. Abrikosov, um físico soviético e americano e ganhador do Nobel que abordou as questões fundamentais da física da matéria condensada. Compreender a interação de troca indireta, ou seja, a energia de ligação entre os átomos magnéticos e sua dependência da temperatura e da distância entre os átomos - permite aos cientistas prever como os momentos magnéticos desses átomos serão alinhados em baixas temperaturas em um determinado material.

Em seu novo jornal, que foi publicado em Revisão Física B , os pesquisadores examinaram a interação entre átomos com momentos magnéticos diferentes de zero perto da borda de um isolador topológico bidimensional. Igor Burmistrov, pesquisador do Instituto Landau de Física Teórica, e Pavel e Vladislav Kurilovich, alunos da Seção de Problemas de Física Teórica do Departamento de Física Geral e Aplicada, MIPT, estudaram a interação de troca indireta entre átomos de manganês em um isolador topológico bidimensional baseado em um poço quântico CdTe / HgTe / CdTe.

A noção de um "poço quântico" significa que uma fina camada de telureto de mercúrio, ou HgTe, é imprensado entre duas camadas de telureto de cádmio, CdTe. Os dois compostos têm propriedades quânticas diferentes, confinando os elétrons à camada de telureto de mercúrio. Eles são, de certa forma, presos no fundo do poço e incapazes de sair, a menos que tenham uma energia específica.

Burmistrov diz, "Os dois átomos com momentos magnéticos podem interagir de maneiras diferentes, dependendo de suas posições:se ambos estiverem perto da borda, eles se comportam como se estivessem em um metal, mas quando ambos estão situados longe da borda, eles interagem da mesma forma que em um semicondutor. "

O pesquisador também explicou o que torna os isolantes topológicos bidimensionais especiais:"Em um isolador topológico bidimensional, as quasipartículas se movem em um plano porque a energia de quantização de tamanho é maior no poço quântico. "Um sistema é chamado de quantizado quando sua energia só pode assumir valores discretos, e a quantização de tamanho refere-se a quando isso surge devido ao tamanho limitado do sistema. Partículas em filmes finos se comportam de maneiras diferentes de como se comportam em sistemas clássicos, como um pedaço de fio de cobre ou um cristal semicondutor.

A análise teórica, mais importante, resultou na previsão de um novo tipo de interação de troca indireta entre átomos com momentos magnéticos em um isolador bidimensional. Por um lado, é semelhante à interação análoga em metais; por outro lado, assemelha-se ao que normalmente acontece em semicondutores. Essa combinação incomum domina a interação entre pares de átomos magnéticos, um dos quais está perto da borda e outro longe dela. Apesar do fato de que esses achados teóricos não têm qualquer aplicação imediata, eles são importantes para estudos futuros do efeito dos átomos magnéticos na corrente elétrica ao longo da borda de um isolador topológico bidimensional.