Uma característica estranha de certos materiais exóticos permite que os elétrons viajem de uma superfície do material para outra como se não houvesse nada no meio. Agora, pesquisadores demonstraram que podem ligar e desligar esse recurso alternando um material para dentro e para fora de um estado topológico estável com pulsos de luz. O método pode fornecer uma nova maneira de manipular materiais que podem ser usados ​​em futuros computadores quânticos e dispositivos que transportam corrente elétrica sem perdas.

Materiais topológicos são particularmente interessantes para essas aplicações porque seus estados eletrônicos são extraordinariamente resistentes a perturbações externas, como aquecimento, pressão mecânica e defeitos de material. Mas para fazer uso desses materiais, os cientistas também precisam de maneiras de ajustar suas propriedades.

"Aqui, encontramos um meio ultrarrápido e eficiente em termos de energia de usar a luz como uma perturbação externa para conduzir um material para dentro e para fora de seu estado topológico estável, "disse Aaron Lindenberg, o principal investigador do estudo e professor associado do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford.

A equipe SLAC / Stanford publicou seus resultados em Natureza .

Controlando a topologia com luz

Na matemática, topologia descreve como um objeto geométrico pode se transformar em várias formas sem perder certas propriedades. Por exemplo, uma esfera pode se transformar em um disco plano, mas não em um donut, porque isso exigiria fazer um buraco nele.

Em materiais, o conceito de topologia é mais abstrato, mas da mesma forma leva a uma robustez extraordinária:os materiais em um estado topológico mantêm suas propriedades exóticas, como a capacidade de conduzir eletricidade com muito pouca perda, sob perturbação externa.

"Esses materiais oferecem uma plataforma empolgante para a compreensão de novos conceitos em física de materiais, e estamos aprendendo ativamente novas maneiras de utilizar seu potencial único, "disse Edbert Sie, um membro do Laboratório Geballe para Materiais Avançados em Stanford trabalhando com Lindenberg e um dos principais autores do novo estudo. A pesquisa em materiais topológicos foi homenageada com o Prêmio Nobel de Física de 2016 e o ​​Prêmio Revelação de 2019.

Embora os materiais topológicos sejam conhecidos por sua estabilidade, certas perturbações também podem tirá-los de seu estado estável. "Em nosso próprio trabalho, estamos procurando maneiras de usar luz e tensão para manipular materiais topológicos e criar novos estados de materiais que podem ser úteis para aplicações futuras, "Sie disse.

Este estudo se concentrou em um material topológico chamado ditelureto de tungstênio, que é feito de camadas bidimensionais empilhadas. Os cientistas já propuseram que quando o material está em seu estado topológico, o arranjo particular de átomos nessas camadas pode gerar os chamados nós de Weyl, que exibem propriedades eletrônicas únicas, como condutividade de resistência zero. Esses pontos podem ser considerados como características semelhantes a buracos de minhoca, que fazem um túnel de elétrons entre superfícies opostas do material.

Sie e seus colegas decidiram ajustar as propriedades do material com pulsos de radiação terahertz, uma forma invisível de luz cujos comprimentos de onda ficam entre a radiação infravermelha e a de micro-ondas. O que eles encontraram os pegou de surpresa:com a luz, eles foram capazes de alternar rapidamente o material entre seu estado topológico e um estado não topológico, efetivamente desligando o estado de resistência zero e ligando-o novamente.

"É a primeira vez que alguém vê esse comportamento de mudança, "disse Clara Nyby, um estudante de graduação da equipe de Lindenberg e outro autor principal do estudo. "Usar radiação terahertz foi a chave aqui porque sua energia pode conduzir esse movimento com eficiência."

Ultra-rápida 'câmera eletrônica' revela troca de material

Para descobrir o que exatamente aconteceu no material, os pesquisadores usaram o instrumento do SLAC para difração de elétrons ultrarrápida (UED) - uma "câmera de elétrons" de alta velocidade - para tirar instantâneos rápidos da estrutura atômica do material imediatamente após ser atingido por um pulso de terahertz.

Eles descobriram que os pulsos mudavam as camadas atômicas vizinhas em direções opostas, distorcendo a estrutura atômica do material. A estrutura começou a oscilar, com camadas balançando para frente e para trás em torno de suas posições originais (veja a animação acima). Balançando em uma direção, o material perdeu sua propriedade topológica. Balançando na outra direção, a propriedade reapareceu e ficou mais estável.

"Existem muitos movimentos atômicos que podem ocorrer potencialmente no material, "disse o co-autor Xijie Wang, chefe da equipe UED do SLAC. "A combinação de pulsos de terahertz e UED, usado aqui pela primeira vez, tornou esta experiência possível. Isso nos permitiu identificar rapidamente esse movimento oscilatório específico. "

Co-autor Das Pemmaraju, um cientista associado da equipe do SLAC, disse, "Os dados do UED também foram a base para os cálculos da estrutura eletrônica do material e sua resposta à radiação terahertz. Nossos resultados demonstram que a radiação tira o material de seu estado topológico e depois volta para ele."

Resta ver como esse mecanismo de comutação, para o qual a equipe obteve uma patente provisória, pode realmente ser usado. "É o início do jogo, "Sie disse." Mas o fato de que podemos manipular materiais topológicos de uma maneira bastante simples usando luz e deformação é de grande potencial. "

Próximo, os cientistas querem aplicar seu método a mais materiais e investigar como essas modificações estruturais mudam suas propriedades eletrônicas, explorando ainda mais o mundo da ciência de materiais topológicos.