p Pesquisadores do PSI investigaram um novo material cristalino que exibe propriedades eletrônicas nunca vistas antes. É um cristal de átomos de alumínio e platina dispostos de maneira especial. Nas células unitárias que se repetem simetricamente deste cristal, átomos individuais foram deslocados uns dos outros de tal maneira que - conforme conectados no olho da mente - seguiram a forma de uma escada em espiral. Isso resultou em novas propriedades de comportamento eletrônico para o cristal como um todo, incluindo os chamados férmions Rarita-Schwinger em seu interior e arcos de Fermi topológicos muito longos e quádruplos em sua superfície. Os pesquisadores já publicaram seus resultados na revista Física da Natureza . p Eles relatam um novo tipo de quase-partícula. Quasipartículas são estados no material que se comportam de uma certa maneira como partículas elementares reais. Dois físicos, William Rarita e Julian Schwinger, previu pela primeira vez este tipo de quasipartícula em 1941, que veio a ser conhecido como férmions Rarita-Schwinger. Eles agora foram detectados experimentalmente pela primeira vez, graças em parte às medições no Swiss Synchrotron Light Source SLS em PSI.

p "Até onde sabemos, estamos - simultaneamente com três outros grupos de pesquisa - entre os primeiros a ver férmions Rarita-Schwinger, "diz Niels Schröter, pesquisador do PSI e primeiro autor do novo estudo.

p A busca por estados eletrônicos exóticos

p Os pesquisadores descobriram as quasipartículas enquanto investigavam um novo material - um cristal especial de alumínio-platina. "Quando visto a olho nu, nosso cristal era simplesmente um pequeno cubo de cerca de meio centímetro de tamanho e prata-escuro, "diz Schröter." Nossos colegas do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos em Dresden produziram-no usando um processo especial. Além dos pesquisadores em Dresden, cientistas na Grã-Bretanha, A Espanha e os EUA também estiveram envolvidos no estudo atual. O objetivo dos pesquisadores de Dresden era conseguir um arranjo feito sob medida dos átomos na estrutura do cristal.

p Em um cristal, cada átomo ocupa um espaço exato. Um grupo frequentemente em forma de cubo de átomos adjacentes forma um elemento básico, a chamada célula unitária. Isso se repete em todas as direções e, assim, forma o cristal com suas simetrias típicas, que também são visíveis do lado de fora. Contudo, no cristal de alumínio-platina agora investigado, átomos individuais em células elementares adjacentes foram ligeiramente deslocados uns dos outros de modo que seguiram a forma de uma escada em espiral, uma linha helicoidal. "Assim, funcionou exatamente como planejado:tínhamos um cristal quiral, "explica Schröter.

p Cristais como duas mãos

p Os materiais quirais podem ser comparados à imagem espelhada das mãos esquerda e direita. Em alguns cristais quirais, a escada em espiral imaginária dos átomos funciona no sentido horário, e em outros, ele funciona no sentido anti-horário. "Nós, pesquisadores, achamos os materiais quirais muito interessantes, porque os modelos matemáticos fazem muitas previsões de que fenômenos físicos exóticos podem ser encontrados neles, "explica Vladimir Strocov, pesquisador do PSI e coautor do presente estudo.

p E esse foi o caso com o cristal de alumínio-platina que os pesquisadores investigaram. Usando SLS de raios-X e espectroscopia de fotoelétrons, eles tornaram as propriedades eletrônicas dentro do cristal visíveis. Além disso, medições complementares do mesmo cristal na Diamond Light Source em Oxfordshire, Inglaterra, permitiu-lhes ver as estruturas eletrônicas em sua superfície.

p Essas investigações mostraram que o cristal especial não era apenas um material quiral, mas também topológico. "Chamamos esse tipo de material de semimetal topológico quiral, "Strocov diz." Graças às excelentes habilidades espectroscópicas da linha de luz ADRESS aqui no SLS, estamos agora entre os primeiros a ter provado experimentalmente a existência de tal material. "

p O mundo dos donuts

p Materiais topológicos vieram a público com o Prêmio Nobel de Física em 2016, quando três pesquisadores foram homenageados por suas investigações em fases topológicas e transições de fase.

p Topologia é um campo da matemática que lida com estruturas e formas semelhantes entre si. Por exemplo, uma bola de argila de modelagem pode ser transformada em um dado, um prato, ou uma tigela simplesmente pressionando e puxando - essas formas são, portanto, topologicamente idênticas. Contudo, para obter um donut ou um oito, você tem que fazer furos na argila - um para o donut, dois furos para o 8.

p Esta classificação de acordo com o número de furos e outras propriedades topológicas já foram aplicadas a outras propriedades físicas dos materiais pelos cientistas que receberam o Prêmio Nobel em 2016. Assim, por exemplo, a teoria dos chamados fluidos quânticos topológicos foi desenvolvida.

p "O fato de nosso cristal ser um material topológico significa que, em sentido figurado, o número de orifícios dentro do cristal é diferente do número de orifícios fora dele. Portanto, na transição entre o cristal e o ar, assim, na superfície do cristal, o número de furos não está bem definido. O que é claro, Contudo, é que é aqui que muda, "explica Schröter." Dizemos que uma transição de fase topológica ocorre na superfície do cristal. Como resultado, novos estados eletrônicos emergem lá:arcos de Fermi topológicos. "

p Quasipartículas dentro, Fermi arcos na superfície

p É a combinação desses dois fenômenos, a quiralidade e a topologia do cristal, isso leva às propriedades eletrônicas incomuns que também diferem dentro do material e em sua superfície.

p Enquanto os pesquisadores foram capazes de detectar os férmions Rarita-Schwinger dentro do material, medições complementares na fonte de radiação síncrotron inglesa Diamond Light Source revelou outros estados eletrônicos exóticos na superfície do material:quatro chamados arcos de Fermi, que também são significativamente mais longos do que quaisquer arcos de Fermi observados anteriormente.

p "É bastante claro que os férmions Rarita-Schwinger no interior e esses arcos Fermi especiais na superfície estão conectados. Ambos resultam do fato de ser um material topológico quiral, "diz Schröter." Estamos muito satisfeitos por estarmos entre os primeiros a encontrar esse material. Não se trata apenas dessas duas propriedades eletrônicas:a descoberta de materiais quirais topológicos abrirá todo um playground de novos fenômenos exóticos. "

p Os pesquisadores estão interessados ​​em novos materiais e no comportamento exótico dos elétrons porque alguns deles podem ser adequados para aplicações na eletrônica do futuro. O objetivo é - por exemplo, com computadores quânticos - alcançar armazenamento e transmissão de dados cada vez mais densos e rápidos no futuro e reduzir o consumo de energia de componentes eletrônicos.