A pesquisa fundamental em física da matéria condensada conduziu a enormes avanços nas capacidades eletrônicas modernas. Transistores, fibra ótica, LEDs, mídia de armazenamento magnético, monitores de plasma, semicondutores, supercondutores - a lista de tecnologias nascidas da pesquisa fundamental em física da matéria condensada é impressionante. Os cientistas que trabalham neste campo continuam a explorar e descobrir novos fenômenos surpreendentes que são promissores para os avanços tecnológicos de amanhã.

Uma importante linha de investigação neste campo envolve a topologia - uma estrutura matemática para descrever estados de superfície que permanecem estáveis ​​mesmo quando o material é deformado por alongamento ou torção. A estabilidade inerente dos estados de superfície topológicos tem implicações para uma variedade de aplicações em eletrônica e spintrônica.

Agora, uma equipe internacional de cientistas descobriu uma nova forma exótica de estado topológico em uma grande classe de cristais semi-metálicos 3-D chamados semimetais de Dirac. Os pesquisadores desenvolveram uma extensa maquinaria matemática para preencher a lacuna entre os modelos teóricos com formas de topologia de "ordem superior" (topologia que se manifesta apenas na fronteira de uma fronteira) e o comportamento físico dos elétrons em materiais reais.

A equipe é formada por cientistas da Universidade de Princeton, incluindo o pesquisador de pós-doutorado Dr. Benjamin Wieder, Professor de química Leslie Schoop, e o professor de física Andrei Bernevig; na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, O professor de física Barry Bradlyn; no Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências em Pequim, O professor de física Zhijun Wang; na State University of New York em Stony Brook, A professora de física Jennifer Cano (Cano também é afiliado ao Instituto Flatiron da Simons Foundation); e na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong, Professor de Física Xi Dai. Os resultados da equipe foram publicados na revista Nature Communications em 31 de janeiro, 2020.

Na última década, Os férmions de Dirac e Weyl foram previstos e confirmados experimentalmente em uma série de materiais de estado sólido, mais notavelmente em arsenieto de tântalo cristalino (TaAs), o primeiro semimetal de férmion de Weyl topológico descoberto. Vários pesquisadores observaram que o TaAs exibe estados de superfície topológicos 2-D conhecidos como "arcos de Fermi". Mas fenômenos semelhantes observados em semimetais de férmions de Dirac têm iludido a compreensão, até agora.

O que é um arco de Fermi? No contexto dos semimetais, é um estado de superfície que se comporta como a metade de um metal bidimensional; a outra metade é encontrada em uma superfície diferente.

Bradlyn observa, "Isso não é possível em um sistema puramente 2-D, e só pode acontecer em função da natureza topológica de um cristal. Nesse trabalho, descobrimos que os arcos de Fermi estão confinados às dobradiças 1D nos semimetais de Dirac. "Em um trabalho anterior, Dai, Bernevig, e colegas demonstraram experimentalmente que as superfícies 2-D dos semimetais de Weyl devem hospedar arcos de Fermi, independentemente dos detalhes da superfície, como uma consequência topológica dos pontos de Weyl (férmions) presentes nas profundezas do cristal. Isso foi teoricamente previsto pela primeira vez por Vishwanath, et al.

"Semimetais Weyl têm camadas como cebolas, "observa Dai." É notável que você possa continuar descascando a superfície dos TaAs, mas os arcos estão sempre lá. "

Os pesquisadores também observaram estados de superfície semelhantes aos de arco em semimetais de Dirac, mas as tentativas de desenvolver uma relação matemática semelhante entre tais estados de superfície e férmions de Dirac na maior parte do material não tiveram sucesso:estava claro que os estados de superfície de Dirac surgem de uma forma diferente, mecanismo não relacionado, e concluiu-se que os estados da superfície de Dirac não eram protegidos topologicamente.

No estudo atual, os pesquisadores ficaram surpresos ao encontrar férmions de Dirac que pareciam exibir estados de superfície protegidos topologicamente, contradizendo esta conclusão. Trabalhando em modelos de semimetais de Dirac derivados de isoladores topológicos quadrupolo - sistemas topológicos de ordem superior recentemente descobertos por Bernevig em colaboração com o professor de física de Illinois Taylor Hughes - eles descobriram que esta nova classe de materiais apresenta uma aparência robusta, conduzindo estados eletrônicos em 1D, ou duas dimensões a menos do que os pontos Dirac 3D em massa.

Inicialmente confuso pelo mecanismo pelo qual esses estados de "dobradiça" apareceram, os pesquisadores trabalharam para desenvolver uma extensa, modelo exatamente solucionável para os estados ligados de quadrupolos topológicos e semimetais de Dirac. Os pesquisadores descobriram que, em semimetais Dirac, Os arcos de Fermi são gerados por um mecanismo diferente dos arcos dos semimetais de Weyl.

"Além de resolver o problema de décadas de se os férmions de Dirac de matéria condensada têm estados de superfície topológicos, "Wieder observa, "demonstramos que os semimetais de Dirac representam um dos primeiros materiais de estado sólido que hospedam assinaturas de quadrupolos topológicos."

Bradlyn acrescenta, "Ao contrário dos semimetais de Weyl, cujos estados superficiais são primos das superfícies dos isoladores topológicos, mostramos que os semimetais de Dirac podem hospedar estados de superfície que são primos dos estados de canto de isoladores topológicos de ordem superior. "

Bradlyn descreve a metodologia da equipe:"Adotamos uma abordagem em três frentes para resolver as coisas. Primeiro, construímos alguns modelos de brinquedo para sistemas que esperávamos ter essas propriedades, inspirado em trabalhos anteriores sobre sistemas topológicos de ordem superior em 2-D, e usando a teoria de grupo para impor restrições em três dimensões. Isso foi feito principalmente pelo Dr. Wieder, Prof. Cano, e eu mesmo.

"Segundo, Dr. Wieder e eu realizamos uma análise teórica mais abstrata de sistemas em duas dimensões, derivando as condições para as quais eles são obrigados a exibir estados de dobradiça, mesmo fora dos modelos de brinquedo. "

"Terceiro, realizamos uma análise de materiais conhecidos, combinando a intuição de química do professor Leslie Schoop, nossas restrições de simetria, e cálculos ab initio do Professor Zhijun Wang para mostrar que os estados do nosso arco de dobradiça devem ser visíveis em materiais reais. "

Quando a poeira baixou, a equipe descobriu que quase todos os semimetais de Dirac de matéria condensada deveriam de fato exibir estados de dobradiça.

"Nosso trabalho fornece uma assinatura fisicamente observável da natureza topológica dos férmions de Dirac, que antes era ambíguo, "observa Cano.

Bradlyn acrescenta, "Está claro que vários semimetais de Dirac previamente estudados realmente têm estados de contorno topológicos, se olharmos no lugar certo. "

Por meio de cálculos de primeiros princípios, os pesquisadores teoricamente demonstraram a existência de estados de dobradiça negligenciados nas bordas de semimetais de Dirac conhecidos, incluindo o material prototípico, arsenieto de cádmio (Cd ₃ Como ₂ )

Comentários de Bernevig, "Com uma equipe incrível combinando habilidades da física teórica, cálculos de primeiros princípios, e química, fomos capazes de demonstrar a conexão entre a topologia de ordem superior em duas dimensões e semimetais de Dirac em três dimensões, pela primeira vez."

As descobertas da equipe têm implicações para o desenvolvimento de novas tecnologias, inclusive na spintrônica, porque os estados de dobradiça podem ser convertidos em estados de borda, cuja direção de propagação está ligada ao seu spin, muito parecido com os estados de borda de um isolador topológico 2-D. Adicionalmente, nanobastões de semimetais topológicos de ordem superior podem realizar supercondutividade topológica em suas superfícies quando próximos a supercondutores convencionais, potencialmente realizando vários férmions de Majorana, que foram propostos como ingredientes para alcançar computação quântica tolerante a falhas.