Os elétrons correm ao longo da superfície de certos materiais cristalinos incomuns, exceto que às vezes eles não o fazem. Dois novos estudos de pesquisadores de Princeton e seus colaboradores explicam a origem do comportamento surpreendente e traçam um curso para restaurar a condutividade nestes cristais notáveis, valorizado por seu uso potencial em tecnologias futuras, incluindo computadores quânticos.

Os estudos foram publicados na revista Ciência .

Nos últimos 15 anos, uma classe de materiais conhecida como isolantes topológicos tem dominado a busca pelos materiais do futuro. Esses cristais têm uma propriedade incomum:seus interiores são isolantes - onde os elétrons não podem fluir - mas suas superfícies são condutores perfeitos, onde os elétrons fluem sem resistência.

Essa era a imagem até a descoberta, há dois anos, de que alguns materiais topológicos são, na verdade, incapazes de conduzir corrente em sua superfície, um fenômeno que ganhou o nome de "topologia frágil".

"A topologia frágil é uma besta estranha:agora está previsto que exista em centenas de materiais, "disse B. Andrei Bernevig, professor de física em Princeton e co-autor em ambos os artigos. "É como se o princípio usual em que temos confiado para determinar experimentalmente um estado topológico se rompesse."

Para entender como os estados frágeis se formam, os pesquisadores se voltaram para dois recursos:equações matemáticas e impressoras 3-D. Com Luis Elcoro na Universidade do País Basco, O pesquisador de pós-doutorado de Bernevig e Princeton, Zhi-Da Song, construiu uma teoria matemática para explicar o que está acontecendo dentro dos materiais.

Próximo, Sebastian Huber e sua equipe na ETH Zurique, em colaboração com pesquisadores de Princeton, Instituto de Ciência Weizmann em Israel, Universidade de Tecnologia do Sul da China, e a Universidade de Wuhan, testou a teoria construindo um material topológico em tamanho natural a partir de plásticos impressos em 3D.

Os materiais topológicos derivam seu nome do campo da matemática que explica como formas como donuts e xícaras de café estão relacionadas (ambos têm um orifício). Os mesmos princípios podem explicar como os elétrons saltam de átomo em átomo na superfície de aproximadamente 20, Cerca de 000 materiais topológicos identificados até o momento. Os fundamentos teóricos dos materiais topológicos ganharam um Prêmio Nobel de Física de 2016 para F. Duncan Haldane, Professor de Física da Sherman Fairchild University de Princeton.

O que torna esses cristais tão interessantes para os cientistas são suas propriedades eletrônicas paradoxais. O interior do cristal não tem capacidade de conduzir corrente - é um isolante. Mas corte o cristal ao meio, e os elétrons irão deslizar pelas superfícies recém-reveladas sem qualquer resistência, protegidos por sua natureza topológica.

A explicação está na conexão entre os elétrons da superfície e os do interior, ou em massa. Os elétrons podem ser considerados não como partículas individuais, mas como ondas que se espalham como ondas de água de um seixo jogado em um lago. Nesta visão da mecânica quântica, a localização de cada elétron é descrita por uma onda de propagação chamada função de onda quântica. Em um material topológico, a função de onda quântica de um elétron na massa se espalha até a borda do cristal, ou limite de superfície. Essa correspondência entre o volume e a fronteira leva a um estado de superfície perfeitamente condutora.

Este princípio de "correspondência de limite de volume" para explicar a condução de superfície topológica foi amplamente aceito até dois anos atrás, quando um punhado de artigos científicos revelou a existência de topologia frágil. Ao contrário dos estados topológicos usuais, estados topológicos frágeis não têm estados de superfície condutores.

"O princípio usual de correspondência de limite de massa é quebrado, "Bernevig disse. Mas exatamente como permaneceu um enigma.

No primeiro dos dois Ciência papéis, Bernevig, Song e Elcoro fornecem uma explicação teórica para uma nova correspondência de limite de massa para explicar a topologia frágil. Os colaboradores mostram que a função de onda do elétron da topologia frágil só se estende à superfície em condições específicas, que os pesquisadores chamam de correspondência de limite de massa distorcida.

A equipe descobriu ainda que a correspondência de limite de volume distorcida pode ser ajustada para que os estados condutores da superfície reapareçam. "Com base nas formas da função de onda, nós projetamos um conjunto de mecanismos para introduzir interferência na fronteira de tal forma que o estado da fronteira necessariamente se torne perfeitamente condutivo, "disse Luis Elcoro, professor da Universidade do País Basco.

Encontrar novos princípios abrangentes é algo que sempre intriga os físicos, mas este novo tipo de correspondência de limite em massa também pode ter algum valor prático, de acordo com os pesquisadores. "A correspondência de limite de massa torcida da topologia frágil fornece um procedimento potencial para controlar o estado da superfície, que pode ser útil em mecânica, aplicações eletrônicas e ópticas, "Song disse.

Mas provar que a teoria funciona era virtualmente impossível, uma vez que seria necessário interferir nas fronteiras em escalas atômicas infinitesimalmente pequenas. Portanto, a equipe recorreu a colaboradores para construir um modelo em tamanho real para explorar suas ideias.

No segundo Ciência papel, Sebastian Huber e sua equipe na ETH Zurich construíram um cristal topológico simulado em grande escala de plástico usando peças impressas em 3-D. Eles usaram ondas sonoras para representar as funções de onda do elétron. Eles inseriram barreiras para bloquear o caminho das ondas sonoras, o que é análogo a cortar o cristal para revelar as superfícies condutoras. Desta maneira, os pesquisadores imitaram a condição de contorno torcido, e depois mostrou que, ao manipulá-lo, eles poderiam demonstrar que uma onda sonora de condução livre viaja pela superfície.

"Esta foi uma ideia e uma realização muito esquerdistas, "Huber disse." Agora podemos mostrar que virtualmente todos os estados topológicos que foram realizados em nossos sistemas artificiais são frágeis, e não estável como se pensava no passado. Este trabalho fornece essa confirmação, mas muito mais, ele introduz um novo princípio abrangente. "