Os pesquisadores produziram uma demonstração em "escala humana" de uma nova fase da matéria chamada isolante topológico quadrupolo, que foi prevista recentemente usando a física teórica. Estas são as primeiras descobertas experimentais para validar esta teoria.

Os pesquisadores relatam suas descobertas no jornal Natureza .

O trabalho da equipe com QTIs nasceu da compreensão de uma década das propriedades de uma classe de materiais chamados isolantes topológicos. "TIs são isolantes elétricos no interior e condutores ao longo de seus limites, e pode ter grande potencial para ajudar a construir baixo consumo de energia, computadores e dispositivos robustos, tudo definido na escala atômica, "disse o professor de ciência mecânica e engenharia e pesquisador sênior Gaurav Bahl.

As propriedades incomuns dos TIs os tornam uma forma especial de matéria eletrônica. "Coleções de elétrons podem formar suas próprias fases nos materiais. Elas podem ser sólidos familiares, fases líquidas e gasosas como água, mas às vezes também podem formar fases mais incomuns, como TI, "disse o co-autor e professor de física Taylor Hughes.

Os TIs normalmente existem em materiais cristalinos e outros estudos confirmam as fases de TI presentes em cristais de ocorrência natural, mas ainda existem muitas previsões teóricas que precisam ser confirmadas, Hughes disse.

Uma dessas previsões era a existência de um novo tipo de TI com uma propriedade elétrica conhecida como momento quadrupolo. "Elétrons são partículas únicas que carregam carga em um material, "disse o estudante de física Wladimir Benalcazar." Descobrimos que os elétrons nos cristais podem coletivamente se organizar para dar origem não apenas a unidades de carga de dipolo - isto é, emparelhamentos de cargas positivas e negativas - mas também multipolares de alta ordem em que quatro ou oito cargas são reunidas em uma unidade. O membro mais simples dessas classes de ordem superior são os quadrupolos, nos quais duas cargas positivas e duas negativas são acopladas. "

Atualmente não é viável projetar um átomo por átomo material, muito menos controlar o comportamento quadrupolar dos elétrons. Em vez de, a equipe construiu um análogo em escala funcional de um QTI usando um material criado a partir de placas de circuito impresso. Cada placa de circuito contém um quadrado de quatro ressonadores idênticos - dispositivos que absorvem a radiação eletromagnética em uma frequência específica. As placas são organizadas em um padrão de grade para criar o análogo de cristal completo.

"Cada ressonador se comporta como um átomo, e as conexões entre eles se comportam como ligações entre átomos, "disse Kitt Peterson, o autor principal e um estudante de graduação em engenharia elétrica. "Nós aplicamos radiação de microondas ao sistema e medimos o quanto é absorvido por cada ressonador, que nos fala sobre como os elétrons se comportariam em um cristal análogo. Quanto mais radiação de microondas é absorvida por um ressonador, o mais provável é encontrar um elétron no átomo correspondente. "

O detalhe que torna este um QTI e não um TI é resultado das especificidades das conexões entre ressonadores, disseram os pesquisadores.

"As bordas de um QTI não são condutoras como você veria em um TI típico, "Bahl disse, "Em vez disso, apenas os cantos estão ativos, isso é, as bordas das bordas, e são análogos às quatro cargas pontuais localizadas que formariam o que é conhecido como um momento quadrupolo. Exatamente como Taylor e Wladimir previram. "

"Medimos quanta radiação de microondas cada ressonador em nosso QTI absorveu, confirmando os estados ressonantes em uma faixa de frequência precisa e localizada precisamente nos cantos, "Peterson disse." Isso apontou para a existência de estados protegidos previstos que seriam preenchidos por elétrons para formar quatro cargas de canto. "

Essas cargas de canto desta nova fase de matéria eletrônica podem ser capazes de armazenar dados para comunicações e computação. "Isso pode não parecer realista usando nosso modelo de 'escala humana', "Hughes disse." No entanto, quando pensamos em QTIs em escala atômica, tremendas possibilidades tornam-se aparentes para dispositivos que realizam computação e processamento de informações, possivelmente até em escalas abaixo das que podemos alcançar hoje. "

Os pesquisadores disseram que o acordo entre experimento e previsão ofereceu a promessa de que os cientistas estão começando a entender a física dos QTIs bem o suficiente para uso prático.

"Como físicos teóricos, Wladimir e eu podíamos prever a existência desta nova forma de matéria, mas nenhum material foi encontrado com essas propriedades até agora, "Hughes disse." A colaboração com engenheiros ajudou a transformar nossa previsão em realidade. "