Na última década, cientistas procuraram isoladores topológicos, materiais que são isolantes por dentro, mas conduzem corrente em suas superfícies. Embora previsto pela primeira vez por volta de 2005, muito poucos exemplos do mundo real foram encontrados até o momento. Espera-se que os isoladores topológicos tenham uma ampla gama de aplicações, incluindo eletrônica com eficiência energética e computação quântica - suas propriedades especiais permitem que a corrente de superfície flua livremente, mesmo na presença de defeitos ou distúrbios.

Até agora, os cientistas procuraram isolantes topológicos entre os cristais ou outros materiais cujos átomos estão dispostos de maneira regular. Um novo estudo, Contudo, prevê que isoladores topológicos também podem ser encontrados entre materiais amorfos, como algumas formas de vidro, em que os átomos são arranjados aleatoriamente.

A previsão, baseado em modelos de computador, abre novos caminhos na busca por esses materiais. "Agora existem muito mais oportunidades para encontrar isolantes topológicos, "diz o autor sênior Vijay Shenoy do Instituto Indiano de Ciência (IISc). Isoladores topológicos amorfos também podem ser mais fáceis de fazer do que os cristalinos, que exigem controles rigorosos, ele sugere. Shenoy e o estudante de graduação Adhip Agarwala realizaram o estudo publicado em Cartas de revisão física .

Os isolantes topológicos devem sua capacidade superior à presença de estados de energia especiais em suas superfícies. Para que a corrente flua em um material, os elétrons precisam saltar do estado de energia da banda de valência para um estado superior denominado banda de condução. Se a diferença entre as bandas for muito grande, como encontrado em isoladores normais, os elétrons não podem saltar e a corrente não flui. Dentro, Os isoladores topológicos têm uma grande lacuna de banda e não conduzem corrente. Na superfície deles, Contudo, elétrons ocupam certos estados de "intervalo intermediário" entre as bandas de valência e condução, o que lhes permite transportar corrente.

Quando esses materiais foram previstos pela primeira vez, a teoria foi baseada na suposição de que a estrutura material deve ser cristalina, diz Shenoy. "Depois de bisbilhotar, descobrimos que esta não é uma suposição crucial. Não é uma condição necessária para você obter uma fase topológica, " ele diz.

Shenoy e Agarwala usaram modelos de computador para "construir" estruturas 2-D e 3-D nas quais os locais são dispostos aleatoriamente e os elétrons podem saltar entre eles. Em seguida, eles ajustaram certos parâmetros, como distância entre locais e espaçamento entre bandas de energia. Sob certas condições, eles descobriram que os materiais mostraram estados de lacuna intermediária na superfície e outras assinaturas matemáticas encontradas em isoladores topológicos, apesar de sua estrutura aleatória.

"As pessoas têm olhado apenas para materiais cristalinos. E não encontraram isolantes topológicos muito bons, "diz Agarwala." Mesmo teoricamente, as pessoas agora podem olhar para muitos, muitas substâncias, não apenas materiais amorfos. Mostramos para o 'pior cenário', onde a estrutura é completamente aleatória. Podemos pensar em muito mais materiais entre cristalino e amorfo, e pergunte se isolantes topológicos podem existir. "

Os pesquisadores também podem olhar para outras maneiras de fazer isolantes topológicos, os autores sugerem. Uma possibilidade, por exemplo, é adicionar aleatoriamente átomos com níveis de energia apropriados à superfície de um isolante existente para dar origem a estados topológicos.

Os isoladores topológicos têm propriedades especiais que os tornam atraentes para a eletrônica. Por exemplo, a direção na qual os elétrons da superfície giram é travada na direção em que se movem. Esse bloqueio evita que defeitos ou impurezas alterem o spin do elétron e, portanto, o desvie de seu caminho, minimizando assim a perda de corrente.

"Uma das áreas ativas da física da matéria condensada e da ciência dos materiais é encontrar esses materiais, "diz Shenoy." Se for encontrado, será uma descoberta importante e pode impulsionar a próxima rodada de eletrônicos. "