Em um grande avanço para uma área de pesquisa que ganhou o Prêmio Nobel de Física 2016, uma equipe internacional descobriu que substâncias com comportamentos eletrônicos exóticos, chamados de materiais topológicos, são de fato bastante comuns, e incluem elementos do dia-a-dia, como arsênio e ouro. A equipe criou um catálogo online para facilitar o projeto de novos materiais topológicos usando elementos da tabela periódica.

Esses materiais têm propriedades inesperadas e estranhas que mudaram a compreensão dos cientistas sobre como os elétrons se comportam. Os pesquisadores esperam que essas substâncias possam formar a base das tecnologias do futuro, como dispositivos de baixo consumo de energia e computação quântica.

"Uma vez que a análise foi feita e todos os erros corrigidos, o resultado foi surpreendente:mais de um quarto de todos os materiais exibem algum tipo de topologia, "disse B. Andrei Bernevig, autor sênior do artigo e professor de física em Princeton. "A topologia é onipresente em materiais, não esotérico. "

Os materiais topológicos são intrigantes porque suas superfícies podem conduzir eletricidade sem resistência, portanto, são potencialmente mais rápidos e mais eficientes em termos de energia do que as tecnologias atuais. Seu nome vem de uma teoria subjacente que se baseia na topologia, um ramo da matemática que descreve objetos pela capacidade de serem esticados ou dobrados.

Os primórdios da compreensão teórica desses estados da matéria formaram a base do Prêmio Nobel de Física 2016, compartilhado entre o professor da Universidade de Princeton F. Duncan Haldane, o professor de física da Sherman Fairchild University, J. Michael Kosterlitz, da Brown University, e David J. Thouless, Universidade de Washington, Seattle.

Até agora, apenas algumas centenas de mais de 200, 000 materiais cristalinos inorgânicos conhecidos foram caracterizados como topológicos, e eles foram considerados anomalias.

"Quando totalmente concluído, este catálogo dará início a uma nova era de design de materiais topológicos, "Bernevig disse." Este é o início de um novo tipo de tabela periódica onde compostos e elementos são indexados por suas propriedades topológicas, em vez de por meios mais tradicionais. "

A equipe internacional incluiu pesquisadores de Princeton; o Donostia International Physics Center em San Sebastian, Espanha; a Fundação Basca IKERBASQUE para a Ciência; a Universidade do País Basco; Ecole Normale Superieure Paris e o Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica; e o Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos.

A equipe investigou cerca de 25, 000 materiais inorgânicos cujas estruturas atômicas são conhecidas experimentalmente com precisão, e classificado no banco de dados de estrutura cristalina inorgânica. Os resultados mostram que, em vez de serem raros, mais de 27 por cento dos materiais na natureza são topológicos.

O banco de dados recém-criado permite que os visitantes selecionem elementos da tabela periódica para criar compostos que o usuário pode explorar por suas propriedades topológicas. Mais materiais estão sendo analisados ​​e colocados em um banco de dados para publicação futura.

Dois fatores permitiram a complexa tarefa de classificar topologicamente os 25, 000 compostos.

Primeiro, dois anos atrás, alguns dos autores presentes desenvolveram uma teoria, conhecido como química quântica topológica e publicado em Natureza em 2017, que permitiu a classificação das propriedades topológicas de qualquer material a partir do simples conhecimento das posições e natureza de seus átomos.

Segundo, no estudo atual, a equipe aplicou essa teoria aos compostos do banco de dados de estruturas cristalinas inorgânicas. Ao fazer isso, os autores precisavam conceber, escrever e modificar um grande número de instruções computadorizadas para calcular as energias dos elétrons nos materiais.

"Tivemos que entrar nesses programas antigos e adicionar novos módulos que computariam as propriedades eletrônicas necessárias, "disse Zhijun Wang, que foi um associado de pesquisa de pós-doutorado em Princeton e agora é professor do Laboratório Nacional de Física da Matéria Condensada de Pequim e do Instituto de Física, Academia Chinesa de Ciências.

"Então, precisamos analisar esses resultados e calcular suas propriedades topológicas com base em nossa metodologia de química quântica topológica desenvolvida recentemente, "disse Luis Elcoro, professor da Universidade do País Basco em Bilbao, Espanha.

Os autores escreveram vários conjuntos de códigos que obtêm e analisam a topologia dos elétrons em materiais reais. Os autores disponibilizaram estes códigos ao público através do Servidor Cristalográfico de Bilbao. Com a ajuda do Centro de Supercomputadores Max Planck em Garching, Alemanha, os pesquisadores então executaram seus códigos no dia 25, 000 compostos.

"Computacionalmente, foi uma coisa incrivelmente intensa, "disse Nicolas Regnault, professor da Ecole Normale Supérieure, Paris, e um diretor de pesquisa do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica. "Felizmente, a teoria nos mostrou que precisamos calcular apenas uma fração dos dados de que precisávamos anteriormente. Precisamos olhar o que o elétron 'faz' apenas em parte do espaço de parâmetros para obter a topologia do sistema. "

"Nossa compreensão dos materiais ficou muito mais rica por causa dessa classificação, "disse Maia Garcia Vergniory, um pesquisador do Donostia International Physics Center em San Sebastian, Espanha. "É realmente a última linha de compreensão das propriedades dos materiais."

Claudia Felser, professor do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos em Dresden, Alemanha, havia previsto anteriormente que até mesmo o ouro é topológico. "Muitas das propriedades materiais que conhecemos - como a cor do ouro - podem ser compreendidas por meio do raciocínio topológico, "Felser disse.

A equipe agora está trabalhando para classificar a natureza topológica de compostos adicionais no banco de dados. As próximas etapas envolvem identificar os compostos com a melhor versatilidade, condutividade e outras propriedades, e verificar experimentalmente sua natureza topológica. "Pode-se então sonhar com uma tabela periódica topológica completa, "Bernevig disse.

O estudo, "Um catálogo completo de materiais topológicos de alta qualidade." Por M. G. Vergniory, L. Elcoro, Claudia Felser, Nicolas Regnault, B. Andrei Bernevig e Zhijun Wang, foi publicado online no jornal Natureza em 28 de fevereiro, 2019.