Em 2005, os físicos da matéria condensada Charles Kane e Eugene Mele consideraram o destino do grafeno em baixas temperaturas. Seu trabalho levou à descoberta de um novo estado da matéria apelidado de "isolante topológico, "que daria início a uma nova era da ciência dos materiais.

"Um isolante topológico é um material isolante em seu interior, mas altamente condutor em sua superfície, "disse a professora assistente de física da UC Santa Barbara, Andrea Young. Em duas dimensões, um isolante topológico ideal teria condutância "balística" em suas bordas, Young explicou, o que significa que os elétrons que viajam pela região encontrariam resistência zero.

Ironicamente, enquanto o trabalho de Kane e Mele levaria à descoberta do comportamento isolante topológico em uma ampla variedade de materiais, sua previsão original - de um isolante topológico em grafeno - permaneceu não realizada.

No centro do problema está o acoplamento spin-órbita - um efeito fraco no qual o spin do elétron interage com seu movimento orbital em torno do núcleo. Crítico para todos os isoladores topológicos, o acoplamento spin-órbita é excepcionalmente fraco no grafeno, de modo que qualquer comportamento de isolamento topológico é abafado por outros efeitos decorrentes da superfície sobre a qual o grafeno é apoiado.

"O fraco acoplamento spin-órbita no grafeno é uma grande pena, "disse o pesquisador de pós-doutorado Joshua Island, porque na prática as coisas não funcionaram muito bem para isoladores topológicos em duas dimensões. "Os isoladores topológicos bidimensionais conhecidos até agora são desordenados e não são muito fáceis de trabalhar, "Island disse. A condutância nas bordas tende a diminuir rapidamente com a distância que os elétrons viajam, sugerindo que está longe de ser balístico. Realizando um isolante topológico em grafeno, um material bidimensional altamente perfeito, poderia fornecer uma base para circuitos elétricos balísticos de baixa dissipação ou formar o substrato de material para bits quânticos protegidos topologicamente.

Agora, em trabalho publicado na revista Natureza , Ilha, Young e seus colaboradores encontraram uma maneira de transformar o grafeno em um isolante topológico (TI). "O objetivo do projeto era aumentar ou melhorar o acoplamento spin-órbita no grafeno, "Ilha do autor principal disse, acrescentando que tentativas foram feitas ao longo dos anos com sucesso limitado. "Uma maneira de fazer isso é colocar um material com um acoplamento spin-órbita muito grande próximo ao grafeno. A esperança era que, ao fazer isso, seus elétrons de grafeno assumissem essa propriedade do material subjacente, " ele explicou.

O material de escolha? Depois de estudar várias possibilidades, os pesquisadores decidiram por um dichalcogeneto de metal de transição (TMD), consistindo do metal de transição tungstênio e o calcogênio selênio. Semelhante ao grafeno, disseleneto de tungstênio vem em monocamadas bidimensionais, unidos pelas forças de van der Waals, que são interações relativamente fracas e dependentes da distância entre átomos ou moléculas. Ao contrário do grafeno, Contudo, os átomos mais pesados ​​do TMD levam a um acoplamento spin-órbita mais forte. O dispositivo resultante apresenta a condutância balística do elétron do grafeno imbuída do forte acoplamento spin-órbita da camada TMD próxima.

"Vimos um aprimoramento muito claro desse acoplamento spin-órbita, "Ilha disse.

"Adicionando acoplamento spin-órbita do tipo certo, Joshua foi capaz de descobrir que isso de fato leva a uma nova fase que é quase topologicamente isolante, "Disse Young. Na ideia original, ele explicou, o isolante topológico consistia em uma monocamada de grafeno com um forte acoplamento spin-órbita.

"Tivemos que usar um truque disponível apenas em multicamadas de grafeno para criar o tipo certo de acoplamento spin-órbita, "Young explicou sobre seu experimento, que usou uma bicamada de grafeno. "E então você obtém algo que se aproxima de dois isolantes topológicos empilhados um em cima do outro." Funcionalmente, Contudo, O dispositivo da Island funciona tão bem quanto outros isoladores topológicos 2-D conhecidos - os importantes estados de borda se propagam por pelo menos vários mícrons, muito mais tempo do que em outros materiais de TI conhecidos.

Além disso, de acordo com Young, este trabalho está um passo mais perto de construir um isolante topológico real com grafeno. "Desde então, o trabalho teórico mostrou que uma camada tripla de grafeno, fabricado da mesma maneira, levaria a um verdadeiro isolante topológico. "

Mais importante, os dispositivos realizados por Island e Young podem ser facilmente ajustados entre uma fase de isolamento topológico e um isolador regular, que não tem estados de borda condutores.

"Você pode direcionar esses condutores perfeitos para onde quiser, " ele disse, "E isso é algo que ninguém foi capaz de fazer com outros materiais."