Os isoladores topológicos são uma das descobertas mais interessantes do século XXI. Eles podem ser simplesmente descritos como materiais que conduzem eletricidade em sua superfície ou borda, mas são isolantes em seu interior. Suas propriedades condutoras são baseadas no spin, uma propriedade da mecânica quântica, e isso suprime o espalhamento normal de elétrons de impurezas no material, ou outros elétrons, e a quantidade de energia que é conseqüentemente perdida para o calor. Em contraste com os supercondutores, isoladores topológicos podem funcionar em temperatura ambiente, oferecendo o potencial para que nossa eletrônica atual seja substituída por computadores quânticos e dispositivos 'spintrônicos' que seriam menores, mais rápido, mais poderoso e mais eficiente em termos de energia. Isolantes topológicos são classificados como 'fortes' ou 'fracos', e as confirmações experimentais do forte isolante topológico (STI) seguiram rapidamente as previsões teóricas. Contudo, o isolador topológico fraco (WTI) foi mais difícil de verificar experimentalmente, à medida que o estado topológico emerge em superfícies laterais particulares, que são normalmente indetectáveis ​​em cristais 3-D reais. Em pesquisa publicada recentemente em Natureza , uma equipe de pesquisadores do Japão usou técnicas de síncrotron para fornecer evidências experimentais para o estado WTI em um cristal de iodeto de bismuto.

Os cristais de iodeto de bismuto quase unidimensionais (1-D) α-Bi4I4 e β-Bi4I4 têm estruturas muito semelhantes, diferindo apenas em suas sequências de empilhamento ao longo do eixo c. Esta pequena diferença na estrutura leva a uma diferença substancial na resistividade das duas fases, em magnitude absoluta e dependência da temperatura. Na temperatura ambiente, as transições de primeira ordem ocorrem entre as duas fases do cristal, com a fase α mais resistiva formando-se preferencialmente quando a amostra é resfriada lentamente.

A equipe de pesquisa usou medições de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) com alta energia e resoluções de momento para determinar as estruturas eletrônicas de α-Bi4I4 e β-Bi4I4. Eles observaram uma superposição dos sinais ARPES dos planos (001) e (100) nesses experimentos, porque o ponto de laser era muito maior do que cada terraço e faceta exposta em uma superfície clivada. Em β-Bi4I4, eles observaram uma dispersão de energia semelhante a um cone de Dirac perto da energia Fermi, EF - estado anômalo que não foi detectado no α-Bi4I4 trivial, e que deve ser devido a uma superfície topológica. Um estado quase 1D semelhante foi confirmado através do ARPES em uma energia de fóton mais alta. A única explicação possível para o estado quase 1D de Dirac observado é que ele deriva da superfície lateral topológica (100) de um WTI.

Para examinar a superfície WTI exclusivamente, eles se voltaram para uma técnica ARPES de superfície seletiva - nano-ARPES. Nano-ARPES (nARPES) é um desenvolvimento interessante em técnicas de síncrotron, que combina a alta resolução espacial de um microscópio com a resolução de energia e momento da técnica ARPES. O ramo nARPES da linha de luz I05 apresenta uma estação final que oferece ARPES espacialmente resolvido de tamanhos de pontos ultrapequenos. Usando um feixe de fótons focado em um ponto de menos de 1 μm de tamanho, a equipe foi capaz de observar o avião (100) sem qualquer contaminação.

O estado WTI

Os pesquisadores obtiveram um mapa de intensidade microscópica para uma pequena superfície de clivagem, usando nARPES antes de medições de ângulo resolvido

Eles então observaram um estado de superfície topológica de Dirac quase unidimensional na superfície lateral (o plano (100)), enquanto a superfície superior (o plano (001)) é topologicamente escura com ausência de estados de superfície topológicos. Seus resultados visualizaram o estado WTI realizado em β-Bi4I4, e mostraram que uma transição de cristal da fase β para a fase α conduz uma transição de fase topológica de um WTI não trivial para um isolador normal à temperatura ambiente.

O estado WTI identificado pode ter várias implicações científicas e tecnológicas diferentes. Por ser considerado o análogo 3-D do isolador Quantum spin Hall (QSH), e poderia gerar corrente de spin altamente direcional sobre uma ampla superfície lateral do cristal 3-D, sua descoberta deve estimular um estudo mais aprofundado dos fenômenos quânticos exóticos. No iodeto de bismuto, o surgimento de correntes de spin robustas pode ser controlado selecionando fases de cristal que são topológicas ou não topológicas, em torno da temperatura ambiente.

Esta pesquisa é, portanto, um passo em direção à pesquisa básica e tecnológica em análogos 3-D de isoladores QSH, e pode levar a novas tecnologias eletrônicas e spintrônicas.