Isoladores topológicos são materiais com propriedades surpreendentes:a corrente elétrica flui apenas ao longo de suas superfícies ou bordas, enquanto o interior do material se comporta como um isolante. Em 2007, Professor Laurens Molenkamp na Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg na Baviera, Alemanha, foi o primeiro a demonstrar experimentalmente a existência de tais estados topológicos. Sua equipe realizou este trabalho seminal com poços quânticos baseados em mercúrio e telúrio (HgTe). Desde então, esses novos materiais têm sido a esperança de uma geração fundamentalmente nova de componentes que, por exemplo, prometem inovações para a tecnologia da informação.

Os físicos da JMU agora tiveram sucesso pela primeira vez na construção de um elemento essencial para tais componentes - um contato de ponto quântico (QPC). Eles apresentam essa conquista em uma publicação recente na revista. Física da Natureza .

Confinamento para estados topológicos

Os contatos de ponto quântico são constrições quase unidimensionais em estruturas bidimensionais que são apenas algumas camadas atômicas finas. Em poços quânticos HgTe topológicos, em que os estados condutores estão localizados exclusivamente nas bordas, esses estados de borda são mesclados espacialmente no QPC. Essa proximidade possibilita investigar possíveis interações entre os estados de borda.

"Este experimento só funcionou devido a um avanço em nossos métodos litográficos. Ele nos permitiu criar estruturas incrivelmente pequenas sem danificar o material topológico. Estou convencido de que esta tecnologia nos permitirá encontrar algo impressionante, novos efeitos em nanoestruturas topológicas em um futuro próximo, "disse Molenkamp.

Comportamento anômalo de condutância por meio de interação

Usando um sofisticado processo de fabricação, os físicos do JMU conseguiram estruturar o gargalo com precisão e suavidade. Esse progresso tecnológico permitiu que eles funcionalizassem as propriedades topológicas do sistema.

Nesse contexto, a equipe liderada pelos professores Laurens Molenkamp e Björn Trauzettel foi capaz de demonstrar pela primeira vez os efeitos de interação entre os diferentes estados topológicos de um sistema usando assinaturas de condutância anômalas. Os pesquisadores de Würzburg atribuem esse comportamento particular dos QPCs topológicos analisados ​​à física dos sistemas eletrônicos unidimensionais.

Interação de elétrons em uma dimensão

Se as correlações eletrônicas são analisadas em uma dimensão espacial, os elétrons se movem - ao contrário de duas ou três dimensões espaciais - de maneira bem ordenada porque não há possibilidade de "ultrapassar" o elétron líder. Em termos pictóricos, os elétrons, neste caso, se comportam como pérolas em uma corrente.

Esta propriedade especial dos sistemas unidimensionais leva a fenômenos físicos interessantes. Trauzettel diz:"A interação de forte interação de Coulomb e acoplamento de rotação da órbita é rara na natureza. Portanto, espero que este sistema produza descobertas fundamentais nos próximos anos."

Perspectivas para pesquisas futuras

QPCs topológicos são um componente elementar para muitas aplicações que foram previstas em teoria nos últimos anos.

Um exemplo particularmente proeminente deste tipo é a possível realização de férmions de Majorana, que o físico italiano Ettore Majorana previu em 1937. Um potencial de aplicação promissor em conexão com computadores quânticos topológicos é atribuído a essas excitações.

Para este propósito, é de grande importância não apenas detectar férmions de Majorana, mas também ser capaz de controlá-los e manipulá-los à vontade. O QPC topológico, implementado pela primeira vez em JMU Würzburg, oferece uma perspectiva empolgante a esse respeito.