O Prêmio Nobel de Física em 2016 foi concedido para a teoria da matéria topológica. Isoladores topológicos são novos materiais com propriedades eletrônicas especiais e são de grande interesse fundamental e voltado para aplicações. No entanto, os físicos lutaram com um quebra-cabeça de dez anos no qual os resultados dos dois melhores métodos para sondar seus estados eletrônicos discordam. Pesquisadores de Amsterdã, incluindo dois candidatos a doutorado financiados pelo FOM, com colaboradores na França, Suíça e Alemanha agora sabem exatamente por quê.

Isoladores topológicos são coisas estranhas. A maior parte desse cristal é isolante e não pode transportar corrente elétrica, no entanto, as superfícies desse mesmo cristal são condutoras. Esses novos materiais são de grande interesse fundamental, mas também são muito promissores para uma série de aplicações futuras em tipos especiais de eletrônica e em computação quântica, e, portanto, são objeto de um esforço substancial de pesquisa em física. A importância dos materiais topológicos foi sublinhada no ano passado com a atribuição do Prêmio Nobel pelo desenvolvimento de teorias fundamentais que estabelecem a existência e o comportamento da matéria topológica.

Existem dois métodos experimentais poderosos para examinar o comportamento dos elétrons - as partículas que transportam a corrente elétrica - na superfície de um isolante topológico. O primeiro envolve o envio de uma corrente através do sistema na presença de um campo magnético muito grande, e é conhecido como magnetotransporte. O segundo envolve o uso de um feixe de luz ultravioleta para examinar a superfície do cristal. Nesse caso, a energia de uma partícula de luz pode ser absorvida por um elétron e, dessa forma, aqueles próximos à superfície podem escapar do cristal e ser analisados. Os pesquisadores podem aproveitar este efeito fotoelétrico para reunir informações valiosas sobre as propriedades eletrônicas na superfície de um isolador topológico, o lugar onde está toda a ação. Esse tipo de experimento é chamado de fotoemissão.

Há mais de 10 anos, os pesquisadores ficaram perplexos quanto ao motivo pelo qual esses dois experimentos discordam completamente quando aplicados a isoladores topológicos. Agora, pesquisadores de Amsterdã, incluindo dois candidatos a doutorado financiados pelo FOM, junto com colaboradores na França, A Suíça e a Alemanha perceberam recentemente os motivos. A hipótese? O primeiro flash de luz UV, necessário para registrar os dados de fotoemissão, ela mesma altera a estrutura eletrônica na superfície.

A quantidade que descreve e explica como os elétrons em um sólido atuam é chamada de estrutura de banda. Pode ser visto como uma espécie de rede rodoviária, que mapeia as combinações permitidas de energia e comprimento de onda que as ondas de elétrons podem ter no cristal. Uma fatia através de tal estrutura de banda pode ser facilmente exibida como uma imagem 2-D como as das imagens mostradas aqui. Este tipo de instantâneo contém informações valiosas sobre a estrutura eletrônica de um isolador topológico, e, em particular, a localização da energia do ponto de cruzamento dos dois ramos visíveis na estrutura da banda. Este recurso especial - destacado com um marcador colorido nas imagens - é chamado de ponto de Dirac, nomeado em homenagem ao físico teórico Paul Dirac cuja teoria descreveu pela primeira vez os elétrons como aqueles na superfície de um isolador topológico.

Normalmente, gravar uma imagem de estrutura de banda custa um minuto ou mais. Mas aqui os pesquisadores trabalharam duro para reduzir isso a apenas um segundo, e a imagem da esquerda foi o resultado. O ponto de Dirac (círculo verde) vem com uma energia compatível com os dados de magnetotransporte. Após apenas 20 segundos de exposição aos raios ultravioleta, o marcador vermelho na imagem à direita mostra que o ponto de Dirac, e o resto da estrutura da banda com ela deslizou para baixo em energia, longe do valor encontrado nas experiências de transporte.

Já se sabia que moléculas que aderem à superfície do isolador topológico podem causar um deslocamento para baixo do ponto de Dirac. Esses novos experimentos foram capazes de separar o efeito das moléculas na superfície e da luz ultravioleta, para que os pesquisadores pudessem demonstrar que o primeiro flash de luz na verdade desempenha o papel da pistola de partida, desencadeando um rápido deslizamento para baixo do ponto Dirac.

Esses novos resultados são muito úteis, já que a fotoemissão é um experimento muito importante no campo de materiais topológicos. Mas eles significam que a fotoemissão está pronta para a lata de lixo? Pelo contrário! Agora que o efeito da luz ultravioleta foi devidamente compreendido, protocolos poderiam ser desenvolvidos sobre como a fotoemissão pode ser usada da maneira certa em estudos futuros de isoladores topológicos. Os resultados da fotoemissão e as diretrizes para procedimentos experimentais aprimorados foram publicados esta semana no principal jornal de física (acesso aberto), Revisão Física X .