p A realização dos chamados materiais topológicos - que exibem exibições exóticas, propriedades resistentes a defeitos e espera-se que tenham aplicações em eletrônica, ótica, Computação quântica, e outros campos - abriu um novo domínio na descoberta de materiais. p Vários dos materiais topológicos amplamente estudados até agora são conhecidos como isolantes topológicos. Espera-se que suas superfícies conduzam eletricidade com muito pouca resistência, algo semelhante a supercondutores, mas sem a necessidade de temperaturas incrivelmente frias, enquanto seus interiores - o chamado "volume" do material - não conduzem corrente.

p Agora, uma equipe de pesquisadores que trabalha no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) descobriu o condutor topológico mais forte até agora, na forma de amostras de cristal fino que têm uma estrutura em escada em espiral. O estudo da equipe de cristais, apelidados de cristais quirais topológicos, é relatado na edição de 20 de março da revista Natureza .

p A estrutura em espiral semelhante ao DNA, ou helicoide, na amostra de cristal que foi o foco do estudo mais recente, exibe uma quiralidade ou "lateralidade - uma vez que uma pessoa pode ser canhota ou destra, e a mão esquerda é uma imagem espelhada da mão direita. As propriedades quirais em alguns casos podem ser invertidas, como uma pessoa canhota se tornando uma pessoa destra.

p "Neste novo trabalho, estamos essencialmente provando que este é um novo estado da matéria quântica, que também está exibindo propriedades de superfície topológicas quase ideais que emergem como consequência da quiralidade da estrutura cristalina, "disse M. Zahid Hasan, um pioneiro em materiais topológicos que liderou a teoria e os experimentos dos materiais como um cientista professor visitante na Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley. Hasan também é Professor de Física Eugene Higgins na Universidade de Princeton.

p Uma propriedade que define a condutividade topológica - que está relacionada à condutividade elétrica da superfície do material - foi medida como sendo cerca de 100 vezes maior do que a observada em metais topológicos previamente identificados.

p Está Propriedade, conhecido como arco de Fermi de superfície, foi revelado em experimentos de raios-X no Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) usando uma técnica conhecida como espectroscopia de fotoemissão. O ALS é um síncrotron que produz luz intensa - de infravermelho a raios X de alta energia - para dezenas de experimentos simultâneos.

p Topologia é um conceito matemático bem estabelecido que se relaciona à preservação das propriedades geométricas de um objeto, mesmo se um objeto for alongado ou deformado de outras maneiras. Algumas de suas aplicações experimentais em materiais eletrônicos 3-D - como a descoberta de comportamentos topológicos em estruturas eletrônicas de materiais - só foram realizadas há pouco mais de uma década, com contribuições iniciais e contínuas do Berkeley Lab.

p "Depois de mais de 12 anos de pesquisa em física topológica e materiais, Eu acredito que esta é apenas a ponta do iceberg, "Hasan acrescentou." Com base em nossas medições, este é o mais robusto, metal condutor topologicamente protegido que qualquer um descobriu - está nos levando a uma nova fronteira. "

p Protegido topologicamente significa que algumas das propriedades do material são confiavelmente constantes, mesmo que o material não seja perfeito. Essa qualidade também aumenta a possibilidade futura de aplicações práticas e capacidade de fabricação para esses tipos de materiais.

p Ilya Belopolski, um pesquisador de Princeton que participou tanto da teoria quanto do trabalho experimental, observou que uma propriedade particularmente interessante dos cristais estudados - que incluíam cristais de cobalto-silício e ródio-silício - é que eles podem produzir uma corrente elétrica de intensidade fixa quando você acende uma luz sobre eles.

p "Nossas teorias anteriores mostraram que - com base nas propriedades eletrônicas do material que agora observamos - a corrente seria fixada em valores específicos, "disse ele." Não importa o quão grande seja a amostra, ou se está sujo. É um valor universal. Isso é incrível. Para aplicativos, o desempenho será o mesmo. "

p Em experimentos anteriores no ALS, A equipe de Hasan revelou a existência de um tipo de quasipartículas sem massa conhecidas como férmions de Weyl, que só existia em teoria há cerca de 85 anos.

p Os férmions Weyl, que foram observados em cristais sintéticos de um semimetal chamado arseneto de tântalo, exibem algumas propriedades eletrônicas semelhantes às encontradas nos cristais usados ​​no estudo mais recente, mas não tinham seus traços quirais. Semimetais são materiais que possuem algumas propriedades metálicas e outras não metálicas.

p "Nosso trabalho anterior com semimetais de Weyl pavimentou o caminho para a pesquisa de condutores topológicos exóticos, "disse Hasan. Em um estudo de novembro de 2017 que se concentrou na teoria em torno desses materiais exóticos, A equipe de Hasan previu que os elétrons no ródio-silício e em muitos materiais relacionados se comportavam de maneiras altamente incomuns.

p A equipe previu que as quasipartículas no material - descritas pelo movimento coletivo dos elétrons - emergem como elétrons sem massa e devem se comportar como retardados, Partículas 3-D de luz, com traços de lateralidade ou quiralidade definidos, ao contrário dos isoladores topológicos ou do grafeno.

p Também, seus cálculos, publicado em 1º de outubro, 2018 na Materiais da Natureza Diário, sugeriram que os elétrons nos cristais se comportariam coletivamente como se fossem monopólos magnéticos em seu movimento. Monopólos magnéticos são partículas hipotéticas com um único pólo magnético - como a Terra sem um pólo sul que pode se mover independentemente de um pólo norte.

p Todo esse comportamento topológico incomum aponta para a natureza quiral das amostras de cristal, que criam uma estrutura eletrônica espiral ou "helicoidal", conforme observado nos experimentos, Hasan observou.

p As amostras estudadas, que contêm cristais medindo até alguns milímetros de diâmetro, foram preparados com antecedência por várias fontes internacionais. Os cristais foram caracterizados pelo grupo de Hasan no Laboratório de Princeton para Matéria Quântica Topológica e Espectroscopia Avançada usando um microscópio de tunelamento de varredura de baixa temperatura que pode escanear amostras em escala atômica, e as amostras foram então transportadas para o Laboratório de Berkeley.

p Antes de estudar na ALS, as amostras foram submetidas a um tratamento de polimento especializado na Fundição Molecular do Berkeley Lab, uma instalação de pesquisa científica em nanoescala. Daniel Sanchez e Tyler Cochran, Pesquisadores de Princeton que contribuíram para o estudo, disse que as amostras para tais estudos são tipicamente "clivadas, "ou quebrados de forma que sejam atomicamente planos.

p Mas neste caso, as ligações de cristal eram muito fortes porque os cristais têm uma forma cúbica. Assim, os membros da equipe trabalharam com a equipe da Fundição Molecular para disparar átomos de argônio de alta energia nas amostras de cristal para limpá-los e achatá-los, e então recristalizou e poliu as amostras por meio de um processo de aquecimento.

p Os pesquisadores usaram duas linhas de luz de raios-X diferentes no ALS (Beamline 10.0.1 e Beamline 4.0.3) para descobrir as propriedades eletrônicas e de spin incomuns das amostras de cristal.

p Como o comportamento eletrônico nas amostras parece imitar a quiralidade na estrutura dos cristais, Hasan disse que existem muitos outros caminhos a explorar, como testar se a supercondutividade pode ser transferida através de outros materiais para o condutor topológico.

p "Isso pode levar a um novo tipo de supercondutor, " ele disse, "ou a exploração de um novo efeito quântico. É possível ter um supercondutor topológico quiral?"

p Também, enquanto as propriedades topológicas observadas em cristais de silício de ródio e cobalto-silício no estudo mais recente são consideradas ideais, há muitos outros materiais que foram identificados que poderiam ser estudados para avaliar seu potencial de desempenho aprimorado para aplicações do mundo real, Hasan disse.

p "Acontece que a mesma física também pode ser realizada em outros compostos no futuro que são mais adequados para dispositivos, " ele disse.

p “É uma satisfação imensa quando você prediz algo exótico e também aparece nos experimentos de laboratório, "Hasan adicionou, observando os sucessos anteriores de sua equipe na previsão das propriedades topológicas dos materiais. "Com previsões teóricas definitivas, combinamos teoria e experimentos para avançar na fronteira do conhecimento. "