p Pesquisa liderada pelas Universidades de St Andrews e Tóquio revela uma nova compreensão sobre como criar estados eletrônicos topológicos em sólidos que poderiam alimentar o desenvolvimento de materiais aprimorados para dispositivos eletrônicos rápidos e eficientes em energia. As descobertas podem levar a novos tipos de chips de computador que podem ser muito mais poderosos do que os encontrados nos computadores e smartphones atuais. p A forma como os elétrons se comportam dentro de um sólido é governada por sua estrutura eletrônica, uma rede entrelaçada de 'bandas' que definem as energias e os momentos permitidos dos elétrons no sólido. Se o tipo certo de bandas cruzar, isso pode dar origem a interessantes, e potencialmente extremamente útil, propriedades físicas dos materiais. Por exemplo, percebeu-se recentemente que pontos de contato isolados dessas bandas podem ser estabilizados por certas simetrias cristalinas, criando os chamados férmions de Dirac na estrutura eletrônica em massa. Isso permite que os elétrons na maior parte do cristal se comportem como se fossem partículas sem massa, efetivamente um análogo em massa do grafeno material atomicamente fino. Além de ser um playground emocionante para estudar conceitos fundamentais de partículas na física, isso pode levar a uma mobilidade ultra-alta de portadores de carga, uma propriedade que poderia ser usada para fazer condutores extremamente bons.

p Se a travessia não estiver protegida, outro estado excitante denominado 'isolante topológico' pode ser estabilizado. Aqui, a maior parte do material se comporta de forma semelhante a um isolador elétrico normal, mas sua superfície suporta os chamados 'estados de superfície topológicos' - bandas adicionais formando pontos de cruzamento protegidos contendo apenas elétrons localizados na superfície do material. Em termos práticos, esses estados de superfície fornecem um invólucro condutor em torno do volume do material, que pode permanecer intacta mesmo quando o material apresenta defeitos ou danos. Um isolador eletrônico pode, portanto, ser transformado em um bom condutor em sua superfície, com aplicações potenciais em esquemas propostos de eletrônica que exploram o spin do elétron, bem como sua carga.

p Dado o interesse fundamental e prático em tais sistemas, tem havido um enorme esforço recente na identificação de compostos onde esses tipos de estados podem ser encontrados. Para desenvolver um conjunto de princípios orientadores para alcançar isso, uma equipe internacional de cientistas do Reino Unido, A Ásia e a Europa combinaram modelagem teórica detalhada com estudos experimentais de última geração. Suas descobertas, publicado no jornal Materiais da Natureza (27 de novembro), demonstram um mecanismo muito geral para gerar vários conjuntos de estados de superfície topológicos e férmions de Dirac tridimensionais, todos dentro do mesmo material. Os pesquisadores encontraram evidências disso em seis compostos separados da família dos dichalcogenetos de metais de transição em camadas, um sistema de materiais que tem sido extremamente estudado devido à grande variedade de novas fases físicas que eles hospedam, de semicondutores não convencionais a supercondutores, e seu potencial para atuar como análogos do grafeno de próxima geração.

p Saeed Bahramy, da Universidade de Tóquio e do Centro RIKEN no Japão, que liderou o trabalho teórico, comentou:"Os dichalcogenetos de metais de transição são mais conhecidos por seus componentes eletrônicos exclusivos, propriedades spintrônicas e valleytrônicas. Saber que eles podem hospedar inerentemente essas novas fases topológicas traz novas possibilidades para a realização de dispositivos eletrônicos de última geração com funcionalidades avançadas. "

p A chave para as descobertas dos pesquisadores é a disparidade em como os elétrons podem se mover ao longo de diferentes direções do cristal, juntamente com uma simetria rotacional simples que pode proteger alguns cruzamentos de banda. O estudo mostrou como isso naturalmente leva à formação de conjuntos empilhados de estados de superfície topológicos e férmions Dirac 3-D nos dichalcogenetos de metais de transição. As descobertas não devem se limitar a este sistema de materiais. Condições iniciais semelhantes podem ser encontradas em muitos materiais diferentes, levantando a empolgante perspectiva de que os recursos descobertos aqui são de fato significativamente mais comuns na natureza do que normalmente se supõe.

p Oliver Clark, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de St Andrews, quem liderou o trabalho experimental, acrescenta:"O número de ingredientes de que você precisa para permitir que esses recursos surjam em um determinado material é muito pequeno, e cada um deles muito comum. Isso, portanto, expande drasticamente a gama de materiais possíveis nos quais você pode esperar encontrar essas assinaturas topológicas. "

p O papel Formação onipresente de cones de Dirac em massa e estados de superfície topológicos a partir de uma única variedade orbital em dichalcogenetos de metais de transição por M S Bahramy, O J Clark et al é publicado na revista Materiais da Natureza .