Um tema da cestaria japonesa conhecido como padrão kagome preocupa os físicos há décadas. As cestas Kagome são normalmente feitas de tiras de bambu tecidas em um padrão altamente simétrico de entrelaçado, triângulos de compartilhamento de canto.

Se um metal ou outro material condutor pudesse ser feito para se assemelhar a esse padrão kagome na escala atômica, com átomos individuais dispostos em padrões triangulares semelhantes, ele deveria, em teoria, exibir propriedades eletrônicas exóticas.

Em um artigo publicado hoje em Natureza , físicos do MIT, Universidade de Harvard, e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley relatam que produziram pela primeira vez um metal kagome - um cristal eletricamente condutor, feito de camadas de átomos de ferro e estanho, com cada camada atômica organizada no padrão de repetição de uma rede kagome.

Quando eles fluíam uma corrente através das camadas kagome dentro do cristal, os pesquisadores observaram que o arranjo triangular de átomos induzia estranhos, comportamentos quânticos na corrente que passa. Em vez de fluir direto pela rede, elétrons, em vez disso, desviaram, ou dobrado para trás dentro da rede.

Este comportamento é um primo tridimensional do chamado efeito Quantum Hall, em que os elétrons fluindo através de um material bidimensional exibirão um "quiral, estado topológico, "em que eles se dobram para ficarem apertados, caminhos circulares e fluem ao longo das bordas sem perder energia.

"Ao construir a rede kagome de ferro, que é inerentemente magnético, este comportamento exótico persiste à temperatura ambiente e superior, "diz Joseph Checkelsky, professor assistente de física no MIT. "As cargas no cristal não sentem apenas os campos magnéticos desses átomos, mas também uma força magnética puramente mecânica quântica da rede. Isso pode levar a uma condução perfeita, semelhante à supercondutividade, nas futuras gerações de materiais. "

Para explorar essas descobertas, a equipe mediu o espectro de energia dentro do cristal, usando uma versão moderna de um efeito descoberto por Heinrich Hertz e explicado por Einstein, conhecido como efeito fotoelétrico.

"Fundamentalmente, os elétrons são primeiro ejetados da superfície do material e, em seguida, detectados em função do ângulo de decolagem e da energia cinética, "diz Riccardo Comin, professor assistente de física no MIT. "As imagens resultantes são um instantâneo muito direto dos níveis eletrônicos ocupados pelos elétrons, e, neste caso, eles revelaram a criação de partículas de 'Dirac' quase sem massa, uma versão eletricamente carregada de fótons, os quanta de luz. "

Os espectros revelaram que os elétrons fluem através do cristal de uma forma que sugere que os elétrons originalmente sem massa ganharam uma massa relativística, semelhantes a partículas conhecidas como férmions de Dirac massivos. Teoricamente, isso é explicado pela presença dos átomos de ferro e estanho constituintes da rede. Os primeiros são magnéticos e dão origem a uma "lateralidade, "ou quiralidade. Este último possui uma carga nuclear mais pesada, produzindo um grande campo elétrico local. À medida que uma corrente externa flui, ele detecta o campo do estanho não como um campo elétrico, mas como um campo magnético, e se curva.

A equipe de pesquisa foi liderada por Checkelsky e Comin, bem como os alunos de graduação Linda Ye e Min Gu Kang em colaboração com Liang Fu, o Professor Associado de Física Biedenharn, e pós-doutorado Junwei Liu. A equipe também inclui Christina Wicker '17, o cientista pesquisador Takehito Suzuki do MIT, Felix von Cube e David Bell de Harvard, e Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, e Eli Rotenberg do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.

"Não é necessária alquimia"

Os físicos teorizaram por décadas que os materiais eletrônicos poderiam suportar o comportamento exótico do Quantum Hall com seu caráter magnético e geometria de rede inerentes. Não foi até vários anos atrás que os pesquisadores fizeram progresso na realização de tais materiais.

"A comunidade percebeu, por que não fazer o sistema de algo magnético, e então o magnetismo inerente do sistema talvez pudesse conduzir esse comportamento, "diz Checkelsky, que na época trabalhava como pesquisador na Universidade de Tóquio.

Isso eliminou a necessidade de campos produzidos em laboratório, tipicamente 1 milhão de vezes mais forte que o campo magnético da Terra, precisava observar esse comportamento.

"Vários grupos de pesquisa foram capazes de induzir um efeito Quantum Hall desta forma, mas ainda em temperaturas ultracold, alguns graus acima do zero absoluto - o resultado do magnetismo de amarração em um material onde não ocorreu naturalmente, "Checkelsky diz.

No MIT, Em vez disso, Checkelsky procurou maneiras de conduzir esse comportamento com "magnetismo intrínseco". Um insight importante, motivado pelo trabalho de doutorado de Evelyn Tang PhD '15 e Professor Xiao-Gang Wen, era buscar esse comportamento na rede kagome. Para fazer isso, primeiro autor, Ye moeu ferro e estanho, em seguida, aqueceu o pó resultante em uma fornalha, produzindo cristais a cerca de 750 graus Celsius - a temperatura na qual os átomos de ferro e estanho preferem se organizar em um padrão de kagome. Ela então submergiu os cristais em um banho de gelo para permitir que os padrões da rede permanecessem estáveis ​​em temperatura ambiente.

"O padrão kagome tem grandes espaços vazios que podem ser fáceis de tecer à mão, mas são frequentemente instáveis ​​em sólidos cristalinos que preferem o melhor empacotamento de átomos, "Ye diz." O truque aqui era preencher esses vazios com um segundo tipo de átomo em uma estrutura que fosse pelo menos estável em altas temperaturas. Perceber esses materiais quânticos não precisa de alquimia, mas sim ciência de materiais e paciência. "

Curvando-se e pulando em direção à perda de energia zero

Depois que os pesquisadores cultivaram várias amostras de cristais, cada um com cerca de um milímetro de largura, eles entregaram as amostras para colaboradores em Harvard, que fotografou as camadas atômicas individuais dentro de cada cristal usando microscopia eletrônica de transmissão. As imagens resultantes revelaram que o arranjo dos átomos de ferro e estanho dentro de cada camada se assemelhava aos padrões triangulares da rede kagome. Especificamente, átomos de ferro foram posicionados nos cantos de cada triângulo, enquanto um único átomo de estanho ficava dentro do espaço hexagonal maior criado entre os triângulos entrelaçados.

Ye então conduziu uma corrente elétrica pelas camadas cristalinas e monitorou seu fluxo por meio das tensões elétricas que elas produziram. Ela descobriu que as cargas se desviaram de uma maneira que parecia bidimensional, apesar da natureza tridimensional dos cristais. A prova definitiva veio dos experimentos de fotoelétrons conduzidos pelo co-primeiro autor Kang que, em conjunto com a equipe LBNL, foi capaz de mostrar que os espectros eletrônicos correspondiam a elétrons efetivamente bidimensionais.

"Ao observarmos de perto as bandas eletrônicas, notamos algo incomum, "Kang acrescenta." Os elétrons neste material magnético se comportavam como partículas massivas de Dirac, algo que havia sido previsto há muito tempo, mas nunca antes visto nesses sistemas. "

"A capacidade única deste material de entrelaçar magnetismo e topologia sugere que eles podem muito bem engendrar outros fenômenos emergentes, "Comin diz." Nosso próximo objetivo é detectar e manipular os estados de borda que são a própria consequência da natureza topológica dessas fases eletrônicas quânticas recém-descobertas. "

Olhando mais adiante, a equipe está agora investigando maneiras de estabilizar outras estruturas de rede kagome mais altamente bidimensionais. Esses materiais, se eles podem ser sintetizados, poderia ser usado para explorar não apenas dispositivos com perda zero de energia, como linhas de energia sem dissipação, mas também aplicações para computação quântica.

"Para novas direções na ciência da informação quântica, há um interesse crescente em novos circuitos quânticos com caminhos que são sem dissipação e quirais, "Checkelsky diz." Esses metais kagome oferecem um novo caminho de design de materiais para realizar essas novas plataformas para circuitos quânticos. "