Os pesquisadores de Princeton demonstraram uma nova maneira de fazer "fios quânticos" controláveis ​​na presença de um campo magnético, de acordo com um novo estudo publicado em Natureza .

Os pesquisadores detectaram canais de condução de elétrons que se formam entre dois estados quânticos na superfície de um cristal de bismuto submetido a um alto campo magnético. Esses dois estados consistem em elétrons movendo-se em órbitas elípticas com orientações diferentes.

Para a surpresa da equipe, eles descobriram que o fluxo de corrente nesses canais pode ser ligado e desligado, tornando esses canais um novo tipo de fio quântico controlável.

"Esses canais são notáveis ​​porque se formam espontaneamente nas fronteiras entre os diferentes estados quânticos nos quais os elétrons alinham coletivamente suas órbitas elípticas, "disse Ali Yazdani, Professor de Física da Classe de 1909 e diretor do Princeton Center for Complex Materials, quem chefiou a pesquisa. "É emocionante ver como a interação entre os elétrons nos canais dita fortemente se eles podem conduzir ou não."

Os pesquisadores usaram um microscópio de tunelamento de varredura - um dispositivo capaz de gerar imagens de átomos individuais e mapear o movimento dos elétrons na superfície de um material - para visualizar o comportamento dos elétrons na superfície de um cristal feito de bismuto puro.

Com este instrumento, a equipe fotografou diretamente os movimentos dos elétrons na presença de um campo magnético milhares de vezes maior que o de um ímã de geladeira. A aplicação do grande campo magnético força os elétrons a se moverem em órbitas elípticas, em vez do fluxo mais típico de elétrons paralelo à direção de um campo elétrico.

A equipe descobriu que os canais de condução se formam na fronteira, que eles chamam de parede de domínio polarizada por vale, entre duas regiões no cristal onde a órbita do elétron muda de orientação abruptamente.

Mallika Randeria, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física, quem realizou os experimentos, disse:"Descobrimos que existem canais de duas e quatro vias nos quais os elétrons podem fluir, dependendo do valor preciso do campo magnético. "Ela e seus colegas observaram que, quando os elétrons são ajustados para se moverem em um canal de quatro pistas, eles ficam presos, mas eles podem fluir desimpedidos quando estão confinados a apenas um canal de duas pistas.

Ao tentar entender esse comportamento, os pesquisadores descobriram novas regras pelas quais as leis da mecânica quântica ditam a repulsão entre os elétrons nesses fios quânticos multicanais. Embora o maior número de pistas pareça sugerir melhor condutividade, a repulsão entre os elétrons faz com que eles mudem de faixa, de forma contra-intuitiva, Mude a direção, e ficar preso, resultando em comportamento de isolamento. Com menos canais, os elétrons não têm opção de mudar de faixa e devem transmitir corrente elétrica mesmo que tenham que se mover "através" uns dos outros - um fenômeno quântico possível apenas em tais canais unidimensionais.

Condução protegida semelhante ocorre ao longo dos limites dos chamados estados topológicos da matéria, que foram o tema do Prêmio Nobel de 2016 concedido a F. Duncan Haldane de Princeton, o professor de física da Sherman Fairchild University. A explicação teórica para a nova descoberta baseia-se no trabalho anterior realizado por dois membros da equipe, Siddharth Parameswaran, que era então um estudante de graduação em Princeton e agora é professor associado de física na Universidade de Oxford, e Shivaji Sondhi de Princeton, professor de física, e colaboradores.

"Embora algumas das ideias teóricas que usamos já existam há algum tempo, ainda é um desafio ver como eles se encaixam para explicar um experimento real, e uma verdadeira emoção quando isso acontece, "Parameswaran disse." Este é um exemplo perfeito de como o experimento e a teoria funcionam em conjunto:sem os novos dados experimentais, nunca teríamos revisitado nossa teoria, e sem a nova teoria teria sido difícil entender os experimentos. "