Os físicos da ETH desenvolveram um wafer de silício que se comporta como um isolante topológico quando estimulado por ultrassom. Assim, eles conseguiram transformar um conceito teórico abstrato em um produto macroscópico.

O procedimento usual é assim:você tem um sistema físico complexo e tenta explicar seu comportamento por meio de um modelo o mais simples possível. Sebastian Huber, Professor Assistente do Instituto de Física Teórica, mostrou que esse procedimento também funciona ao contrário:ele desenvolve sistemas macroscópicos que exibem exatamente as mesmas propriedades previstas pela teoria, mas que ainda não foram observados neste nível.

Ele conseguiu criar um exemplo ilustrativo há dois anos e meio. Junto com sua equipe, ele construiu um dispositivo mecânico feito de 270 pêndulos conectados por molas de tal forma que a instalação se comporta como um isolante topológico. Isso significa que o pêndulo e as molas são posicionados de forma que uma excitação vibracional do lado de fora mova apenas os pêndulos nas bordas da instalação, mas não os do meio (como relatou a ETH News).

Vibração apenas nos cantos

O novo projeto, que será publicado esta semana na revista Natureza , também está focado em um sistema macroscópico. Desta vez, Contudo, ele não criou nenhum grande dispositivo mecânico, mas um objeto de tamanho muito mais gerenciável. Com sua equipe, Huber criou um wafer de silício de 10 x 10 centímetros que consiste em 100 pequenas placas conectadas entre si por meio de feixes finos. O aspecto principal é que quando o wafer é estimulado por ultrassom, apenas as placas nos cantos vibram; as outras placas permanecem paradas, apesar de suas conexões.

Huber tirou sua inspiração para o novo material de um trabalho publicado há cerca de um ano por grupos de Urbana-Champaign e Princeton; os pesquisadores apresentaram uma nova abordagem teórica para um isolador topológico de segunda ordem. "Em um isolador topológico convencional, as vibrações só se espalham pela superfície, mas não dentro, "explica Huber." O fenômeno é reduzido em uma dimensão. "No caso da instalação do pêndulo, isso significa que o arranjo bidimensional levou a um padrão de vibração unidimensional ao longo das bordas.

Em um isolador topológico de segunda ordem, Contudo, o fenômeno é reduzido em duas dimensões. De acordo, com um wafer de silício bidimensional, a vibração não ocorre mais ao longo das bordas, mas apenas nos cantos, em um ponto de dimensão zero. "Somos os primeiros a ter sucesso na criação experimental do isolador topológico de ordem superior previsto, "diz Huber.

Um novo conceito teórico

Huber novamente criou algo que se comporta exatamente da maneira prevista pela teoria. Para resolver este "problema inverso", utilizou um processo sistemático que desenvolveu em conjunto com o grupo liderado por Chiara Daraio, agora um professor da Caltech, e que publicou esta semana no jornal Materiais da Natureza . Em termos gerais, Huber mostra como uma funcionalidade teoricamente prevista pode ser transformada em geometria concreta. "Em nosso exemplo, nós o testamos usando vibrações mecânicas, por elementos de acoplamento com modos de vibração claramente definidos usando elos fracos, "diz Huber." Mas o processo também pode ser transferido para outros aplicativos, como sistemas ópticos ou elétricos. "

Expansão para a terceira dimensão

Huber já tem planos claros de como proceder:ele quer conseguir um isolante topológico tridimensional de segunda ordem, em que as vibrações podem ser transmitidas unidimensionalmente. Recentemente, ele recebeu uma bolsa consolidadora do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) para este projeto. Huber explica a ideia básica:"Empilhamos várias dessas estruturas bidimensionais uma sobre a outra, de modo que uma forma tridimensional emerge. Neste formulário, informação ou energia pode ser conduzida do ponto A ao ponto B através de um canal unidimensional. "

Huber pode pensar em algumas aplicações possíveis. Por exemplo, esses novos isoladores topológicos poderiam ser usados ​​para construir guias de onda robustos e precisos para redes de comunicação. Eles também podem ser úteis no setor de energia, por exemplo, para coleta de energia, em que a energia de uma fonte difusa circundante é focada para uso tecnológico.

Também de interesse para os teóricos

Os resultados de Huber não serão de interesse apenas para engenheiros e pesquisadores de materiais, mas também físicos teóricos. "A principal descoberta do ponto de vista teórico é que certos isoladores topológicos de segunda ordem não podem ser matematicamente descritos como um dipolo, como os isoladores topológicos convencionais são, mas como quadrupolos, que são muito mais complexos, "explica Huber." O fato de termos sido capazes de implementar isso experimentalmente em uma estrutura macroscópica pela primeira vez é, portanto, também um avanço para os teóricos. "