Os chamados isoladores topológicos são aqueles materiais que são isolantes a granel, ou seja, aqueles que não permitem correntes elétricas em seu volume, mas são condutores em suas superfícies. Ao contrário dos condutores usuais, isso é, metais, a corrente elétrica que circula em um isolador topológico não sofre nenhuma perda de energia. Esta propriedade abre grandes possibilidades de aplicação em eletrônica, uma vez que permitiria a fabricação de produtos mais eficientes, dispositivos mais rápidos e com baixo consumo de energia. Este é um objetivo tão desejável quanto necessário no atual cenário de rápido avanço da demanda energética mundial, que ameaça nosso meio ambiente. Por isso mesmo, a descoberta de isoladores topológicos há cerca de uma década causou um boom de pesquisa global nos campos da nanotecnologia e física da matéria condensada.

Com aplicações tecnológicas em mente, por exemplo, em tecnologias de informação, um dos desafios durante esses anos de intensas pesquisas tem sido a criação de um isolante topológico magnético. Até aqui, isoladores topológicos magnéticos só haviam sido criados pela chamada rota extrínseca, que consiste em dopar isoladores topológicos não magnéticos com átomos magnéticos. Contudo, graças aos esforços de um grupo de pesquisadores do Centro de Física de Materiais (CFM, Centro de articulação CSIC-UPV / EHU), Donostia International Physics Center (DIPC) e a Universidade do País Basco (UPV / EHU), agora é possível desenvolver um isolante topológico magnético intrínseco, isso é, aquele que possui propriedades magnéticas por sua própria natureza.

A equipe que inclui pesquisadores DIPC Mikhail Otrokov (CFM Ikerbasque Research Fellow), Evgueni Chulkov (UPV / EHU, Prêmio de Pesquisa Euskadi 2019), María Blanco Rey (UPV / EHU) e Pedro M. Echenique (UPV / EHU, Presidente DIPC), previu teoricamente o primeiro isolante topológico magnético intrínseco, com fórmula química MnBi ₂ Te ₄ . A chave para o sucesso desta previsão tem sido a vasta experiência que este grupo de cientistas tem nas áreas de isoladores topológicos, magnetismo e ciência dos materiais em geral. O companheiro Ikerbasque e líder desta pesquisa, Mikhail Otrokov, afirma que “trabalhos anteriores de diferentes abordagens nos levaram à conclusão de que a rota intrínseca era a única viável hoje em dia. direcionamos nossos esforços para encontrar um isolante topológico magnético intrínseco com base em nossa experiência anterior. Graças a isso, sabíamos que estrutura cristalina e composição atômica tal material deveria ter. "

Donostia (País Basco, Espanha) não é apenas o lugar onde a previsão teórica deste primeiro isolador topológico magnético foi realizada, mas também tem sido o acampamento base de onde sua confirmação experimental foi coordenada. Este trabalho envolveu especialistas em diferentes áreas, dos principais centros de pesquisa da Rússia, Azerbaijão, Alemanha, Áustria, Japão, Itália e EUA. Os resultados deste estudo estão sendo publicados esta semana na prestigiosa revista Natureza . Otrokov explicou que, para confirmação experimental, a primeira etapa foi a síntese dos cristais compostos pelos especialistas em síntese química. Uma vez sintetizado, as amostras foram sujeitas a uma infinidade de experimentos de caracterização - estruturais, magnético, eletrônico, do transporte, da composição atômica, etc — até que as características previstas fossem observadas e verificadas.

Os resultados do estudo, que já havia sido divulgado através de um servidor de acesso aberto e palestras proferidas pelos autores em conferências internacionais, foram bem recebidos pela comunidade científica internacional. Atualmente, MnBi ₂ Te ₄ e outros materiais baseados nele são estudados em vários centros de pesquisa, os dos EUA e China mostram a atividade mais intensa.

"MnBi ₂ Te ₄ , além de ser um isolante topológico magnético intrínseco, acabou por ser antiferromagnético, assim como calculamos, "Blanco nos diz. O antiferromagnetismo consiste em uma ordem magnética em escala atômica, de modo que o material carece de magnetização líquida. Como resultado, esses materiais são muito mais robustos contra perturbações por ímãs.

Este cristal composto de manganês (Mn), O Bismuto (Bi) e o Telúrio (Te) apresentam um grande potencial tanto a nível fundamental como tecnológico. É extremamente rico em propriedades exóticas, por exemplo, como os vários efeitos Hall, incluindo os quânticos, alguns dos quais são usados ​​na calibração de constantes físicas por sua precisão excepcional. Além disso, MnBi ₂ Te ₄ pode ser usado para criar o chamado férmion de Majorana. Este é um tipo de partícula, uma quase-partícula para ser preciso, que tem sido considerada a pedra angular da computação quântica.

Da mesma forma, MnBi ₂ Te ₄ é o primeiro material intrínseco para o qual uma resposta eletromagnética muito semelhante à de um axion é prevista. Um axion é uma partícula hipotética postulada na estrutura da cromodinâmica quântica, e é um bom candidato para resolver o problema da matéria escura. É por isso que existem muitos experimentos destinados precisamente a detectar sinais de comportamento do tipo axion na família deste composto.

Em relação às aplicações práticas, vários dispositivos baseados em isoladores topológicos magnéticos já foram patenteados. Por exemplo, MnBi ₂ Te ₄ pode ser usado em dispositivos de interconexão quirais, que prometem desempenho superior às conexões de cobre comuns atualmente usadas em circuitos integrados disponíveis comercialmente. Algumas outras aplicações incluem moduladores ópticos, sensores de campo magnético e elementos de memória.

Os pesquisadores que trabalham em Donostia, junto com sua rede de colaboradores internacionais, espere ser capaz de observar em MnBi ₂ Te ₄ alguns dos fenômenos exóticos mencionados acima, e descobrir novos isoladores topológicos magnéticos intrínsecos com propriedades ainda superiores às do MnBi ₂ Te ₄ .