Novos experimentos com isoladores topológicos dopados magneticamente em BESSY II revelaram possíveis métodos de transmissão de sinal sem perdas que envolvem um fenômeno surpreendente de auto-organização. No futuro, pode ser possível desenvolver materiais com tais características em temperatura ambiente que podem ser usados ​​como unidades de processamento em computação quântica, por exemplo. O estudo foi publicado em Natureza .

Novos efeitos na física do estado sólido são freqüentemente descobertos pela primeira vez em temperaturas próximas do zero absoluto (0 Kelvin ou -273 ° C). Pesquisas futuras podem determinar se e como esses fenômenos podem ser induzidos à temperatura ambiente. A supercondutividade foi inicialmente observada em mercúrio abaixo de 4 Kelvin há mais de 100 anos. Hoje, existem muitos supercondutores de alta temperatura que conduzem corrente elétrica sem perdas resistivas em temperaturas de até 138 Kelvin ou mesmo 200 Kelvin (o recorde mantido pelo H2S).

O Quantised Anomalous Hall Effect (QAHE) foi observado pela primeira vez em um isolador topológico dopado magneticamente abaixo de 50 milikelvin em 2013. Semelhante à supercondutividade, este efeito permite o transporte de carga sem perdas dentro dos canais de borda fina das amostras. Enquanto isso, os pesquisadores aumentaram a temperatura máxima na qual o efeito pode ser observado até cerca de 1 Kelvin.

Contudo, com base em considerações teóricas, o QAHE deve ocorrer em temperaturas muito mais altas. Portanto, é um mistério saber por que isso não acontece. Um parâmetro crítico é conhecido como gap de energia magnética da amostra, nunca foi medido antes. Quanto maior for essa lacuna, mais estável o efeito deve ser em relação à influência da temperatura.

Uma equipe internacional chefiada pelo físico do HZB Prof. Dr. Oliver Rader e pelo Prof. Dr. Gunther Springholz da Universidade de Linz alcançou um avanço. Via espectroscopia de fotoelétrons com radiação síncrotron de BESSY II, eles foram capazes de medir a lacuna de energia em tal amostra pela primeira vez. Para conseguir isso, o ARPES1cube foi usado para atingir temperaturas extremamente baixas; os pesquisadores usaram a nova capacidade de resolução de spin do Laboratório Russo-Alemão em BESSY II. Surpreendentemente, a lacuna era na verdade cinco vezes maior do que o previsto teoricamente.

Os cientistas também encontraram um motivo simples para esse resultado:“Agora sabemos que o doping de manganês não ocorre de forma desordenada. Pelo contrário, causa estratificação conhecida como superestrutura no material - camadas muito parecidas com uma massa folhada, "explica Springholz." Ao adicionar uma pequena porcentagem de manganês, unidades alternadas de sete e cinco camadas são criadas. Isso faz com que o manganês seja preferencialmente contido nas unidades de sete camadas e, assim, pode gerar a lacuna de energia com muito mais eficácia. "

Rader diz, em retrospecto, que a imaginação dos pesquisadores ao usar dopantes não se estendeu o suficiente até agora. Eles usaram elementos trivalentes, como cromo e vanádio, que têm características magnéticas para substituir o bismuto no telureto de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ), com os átomos dopantes em um estado desordenado. A razão para isso parecia muito convincente:os elementos magnéticos trivalentes contribuem com três elétrons para as ligações químicas e sua valência química leva esses elementos aos sítios do bismuto.

Com manganês, a situação é diferente. Uma vez que o manganês é bivalente, realmente não se encaixa bem nos locais de bismuto. Aparentemente, é por isso que o sistema é radicalmente reestruturado e cria uma nova camada dupla de átomos em que o manganês pode ser incorporado de forma bivalente. "Desta maneira, uma estrutura é criada de uma forma auto-organizada na qual o manganês pode produzir a grande lacuna de energia magnética, "explica Rader.

Se esses fenômenos de auto-organização forem explorados de maneiras específicas, então, configurações completamente novas podem surgir para materiais topológicos magnéticos, de acordo com Springholz. Em princípio, a lacuna que agora foi medida já é tão grande que deve permitir a construção de um QAHE próximo à temperatura ambiente a partir de componentes apropriados. Contudo, outros parâmetros ainda precisam ser melhorados. Um isolador topológico magnético como este em combinação com um supercondutor comum também poderia permitir a realização de uma unidade de processamento quântico (Qbit) para um computador quântico.