A busca por melhores materiais para computadores e outros dispositivos eletrônicos tem se concentrado em um grupo de materiais conhecidos como "isolantes topológicos", que têm uma propriedade especial de conduzir eletricidade nas bordas de suas superfícies, como faixas de tráfego em uma rodovia. Isso pode aumentar a eficiência energética e reduzir a produção de calor.

O primeiro isolante topológico experimentalmente demonstrado em 2009 foi o bismuto-antimônio, mas apenas recentemente os pesquisadores identificaram o bismuto puro como um novo tipo de isolante topológico. Um grupo de pesquisadores na Europa e nos EUA forneceu evidências experimentais e análises teóricas em um 2018 Física da Natureza relatório.

Agora, pesquisadores do MIT junto com colegas em Boston, Cingapura, e Taiwan conduziu uma análise teórica para revelar várias outras propriedades topológicas do bismuto não identificadas anteriormente. A equipe foi liderada por autores seniores, Professor Associado do MIT, Liang Fu, Professor Nuh Gedik do MIT, Distinto Professor Arun Bansil da Northeastern University, e pesquisador Hsin Lin na Academica Sinica em Taiwan.

"É uma espécie de topologia oculta onde as pessoas não sabiam que pode ser assim, "diz o pós-doutorado do MIT Su-Yang Xu, um co-autor do artigo publicado recentemente em PNAS .

A topologia é uma ferramenta matemática que os físicos usam para estudar propriedades eletrônicas, analisando as funções de onda quântica dos elétrons. As propriedades "topológicas" dão origem a um alto grau de estabilidade do material e tornam sua estrutura eletrônica muito robusta contra pequenas imperfeições do cristal, como impurezas, ou pequenas distorções de sua forma, como esticar ou apertar.

"Digamos que eu tenha um cristal com imperfeições. Essas imperfeições, contanto que não sejam tão dramáticos, então minha propriedade elétrica não mudará, "Xu explica." Se houver tal topologia e se as propriedades eletrônicas forem unicamente vinculadas à topologia e não à forma, então será muito robusto. "

"Neste composto específico, a menos que você aplique pressão ou algo para distorcer a estrutura do cristal, caso contrário esta condução estará sempre protegida, "Xu diz.

Uma vez que os elétrons carregando um determinado spin só podem se mover em uma direção nesses materiais topológicos, eles não podem saltar para trás ou se espalhar, que é o comportamento que faz os dispositivos eletrônicos baseados em silício e cobre esquentarem.

Enquanto os cientistas de materiais procuram identificar materiais com condução elétrica rápida e baixa produção de calor para computadores avançados, os físicos querem classificar os tipos de propriedades topológicas e outras que estão por trás desses materiais de melhor desempenho.

No novo jornal, "Topologia em uma nova faceta do bismuto, "os autores calcularam que o bismuto deveria apresentar um estado conhecido como" estado de superfície de Dirac, "que é considerada uma marca registrada desses isoladores topológicos. Eles descobriram que o cristal não é alterado por uma rotação de semicírculo (180 graus). Isso é chamado de simetria rotacional dupla. Essa simetria rotacional dupla protege os estados de superfície de Dirac. Se isso a simetria de rotação dupla do cristal é interrompida, esses estados de superfície perdem sua proteção topológica.

O bismuto também apresenta um estado topológico ao longo de certas bordas do cristal, onde duas faces verticais e horizontais se encontram, chamado de estado de "dobradiça". Para perceber completamente os efeitos topológicos desejados neste material, o estado de dobradiça e outros estados de superfície devem ser acoplados a outro fenômeno eletrônico conhecido como "inversão de banda" que os cálculos dos teóricos mostram que também está presente no bismuto. Eles prevêem que esses estados de superfície topológicos podem ser confirmados usando uma técnica experimental conhecida como espectroscopia de fotoemissão.

Se os elétrons que fluem através do cobre são como um cardume de peixes nadando em um lago no verão, os elétrons que fluem por uma superfície topológica são mais como patinadores de gelo cruzando a superfície congelada do lago no inverno. Para o bismuto, Contudo, no estado de dobradiça, seu movimento seria mais parecido com patinar no canto de um cubo de gelo.

Os pesquisadores também descobriram que no estado de dobradiça, à medida que os elétrons avançam, seu ímpeto e outra propriedade, chamado spin - que define uma rotação dos elétrons no sentido horário ou anti-horário - é "travado". "A direção de rotação deles está bloqueada em relação à direção do movimento, "Xu explica.

Esses estados topológicos adicionais podem ajudar a explicar por que o bismuto permite que os elétrons viajem por ele muito mais longe do que a maioria dos outros materiais, e por que ele conduz eletricidade de forma eficiente com muito menos elétrons do que materiais como o cobre.

"Se realmente quisermos tornar essas coisas úteis e melhorar significativamente o desempenho de nossos transistores, precisamos encontrar bons materiais topológicos - bons em termos de serem fáceis de fazer, eles não são tóxicos, e também são relativamente abundantes na terra, "Xu sugere. Bismuto, que é um elemento seguro para consumo humano na forma de remédios para tratar azia, por exemplo, atende a todos esses requisitos.

"Este trabalho é o culminar de uma década e meia de avanço em nossa compreensão de materiais topológicos protegidos por simetria, "diz David Hsieh, professor de física na Caltech, que não esteve envolvido nesta pesquisa.

"Acho que esses resultados teóricos são robustos, e é simplesmente uma questão de obter imagens experimentais deles usando técnicas como espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, em que o professor Gedik é especialista, "Hsieh acrescenta.

O professor Gregory Fiete da Northeastern University observa que "os compostos à base de bismuto há muito desempenham um papel importante em materiais topológicos, embora o próprio bismuto fosse originalmente considerado topologicamente trivial. "

"Agora, esta equipe descobriu que o bismuto puro é multiplamente topológico, com um par de cones de Dirac de superfície desligados de qualquer valor de momento particular, "diz Fiete, que também não esteve envolvido nesta pesquisa. "A possibilidade de mover os cones Dirac por meio de controle de parâmetro externo pode abrir o caminho para aplicativos que exploram esse recurso."

Hsieh, da Caltech, observa que as novas descobertas aumentam o número de maneiras pelas quais estados metálicos protegidos topologicamente podem ser estabilizados em materiais. "Se o bismuto pode ser transformado de semimetal em isolante, então, o isolamento desses estados de superfície no transporte elétrico pode ser realizado, que pode ser útil para aplicações eletrônicas de baixa potência, "Hsieh explica.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.