Isoladores topológicos, uma classe de materiais investigada há pouco mais de uma década, foram anunciados como um novo 'material maravilhoso', assim como o grafeno. Mas por enquanto, Os isoladores topológicos ainda não corresponderam às expectativas alimentadas por estudos teóricos. Os físicos da Universidade de Groningen agora têm uma ideia do porquê. Sua análise foi publicada em 27 de julho na revista. Revisão Física B .

Isoladores topológicos são materiais que isolam em massa, mas permitem que a carga flua pela superfície. Esses estados condutores na superfície se originam de padrões de ordenação nos estados onde residem os elétrons que são diferentes dos materiais comuns. Esta ordenação está ligada ao conceito físico de 'topologia ", análogo ao usado em matemática. Esta propriedade dá origem a estados muito robustos com algumas propriedades especiais.

Átomos pesados

Para um, seu spin - uma propriedade magnética dos elétrons que pode ter os valores "para cima" ou "para baixo" - está bloqueado em seu movimento. "Isso significa que os elétrons que se movem para a direita têm spin para baixo, e aqueles que se movem para a esquerda aumentam de velocidade ", explica o primeiro autor do estudo Eric de Vries, Aluno de doutorado no "Grupo de pesquisa Spintrônica de Materiais Funcionais liderado por seu supervisor, prof. Dra. Tamalika Banerjee. Este grupo faz parte do Instituto Zernike de Materiais Avançados". Mas também significa que quando você injeta elétrons com spin para dentro tal isolante topológico, eles viajarão para a esquerda! ”Os isoladores topológicos podem, portanto, ser muito úteis na realização da spintrônica:eletrônica baseada no valor de spin quantizado em vez da carga dos elétrons.

As propriedades especiais dos isolantes topológicos são previstas pela análise teórica das estruturas superficiais desses materiais, feito de cristais de átomos pesados. Mas os experimentos mostram resultados mistos, que não correspondem às previsões teóricas. "Nós nos perguntamos por quê, então, planejamos experimentos para investigar o comportamento dos elétrons do estado de superfície. Especificamente, queríamos ver se o transporte é realmente limitado à superfície, ou se também estiver presente na maior parte do material. "

Surpreendente

Experimentos anteriores do grupo, em que usaram ferromagnetos para detectar os spins dos elétrons gerados no isolador topológico, foram surpreendentes, diz De Vries. "Demonstramos que uma tensão presumivelmente originada da detecção de spin pode se originar em outros fatores além do bloqueio do spin do elétron ao seu movimento. Usando geometrias diferentes, mostramos que artefatos relacionados a campos magnéticos dispersos gerados pelos ferromagnetos podem imitar tensões de spin semelhantes. ”Esta observação pode levar a uma reavaliação de alguns resultados publicados.

Desta vez, eles usaram uma abordagem diferente. "Analisamos os isoladores topológicos usando campos magnéticos fortes. Isso faz os elétrons oscilarem nos canais de transporte." De Vries foi para o Laboratório Nacional de Íman de Alto Campo na Radboud University Nijmegen, onde um ímã de 33 Tesla está disponível, um dos ímãs mais fortes do mundo. "Outros fizeram testes semelhantes com ímãs mais fracos, mas estes não são sensíveis o suficiente para revelar os canais de transporte adicionais que coexistem com os estados de superfície. "Os experimentos de De Vries mostraram que uma parte considerável do transporte de carga ocorreu na fase de massa do material, e não apenas na superfície.

Canais de transporte

O motivo disso, explica De Vries, é a estrutura cristalina imperfeita do isolante topológico. "Às vezes, faltam átomos na estrutura do cristal. Isso resulta em elétrons que se movem livremente. Eles começam a se conduzir como novos canais de transporte, gerando corrente elétrica na maior parte do material. "

Então, por que ninguém notou isso antes? De Vries enfatiza que pode ser difícil interpretar as medições de transporte feitas em isoladores topológicos. "Nós experimentamos isso em nossos experimentos anteriores. Nossa mensagem é que extremo cuidado é necessário na interpretação de observações experimentais para dispositivos baseados nesses materiais." Também, experimentos que podem levar a conclusões mais claras requerem campos magnéticos muito altos em laboratórios especializados.

Glitches

Os resultados apontam para uma forma de melhorar os isoladores topológicos. "A chave é fazer crescer os cristais sem nenhum átomo faltando. Outra solução é preencher os buracos, por exemplo, com íons de cálcio que ligam os elétrons livres. Mas isso pode causar outros distúrbios na mobilidade dos elétrons. "Por dez anos, isoladores topológicos estavam na moda. Eles foram comparados ao material maravilhoso grafeno. A descoberta de que, na prática, isoladores topológicos têm falhas serve como uma verificação da realidade. De Vries:"Precisamos estudar e compreender a interação entre os estados da superfície e o material a granel com muito mais detalhes."