Isoladores topológicos (TIs) são materiais isolantes em massa que, no entanto, exibem condutividade metálica em suas superfícies. Essa condutividade é garantida pela topologia da estrutura de bulk band - a superfície apresenta esses estados, desde que a simetria que define o índice topológico permaneça a mesma.

Nos chamados TIs fortes, esses estados são protegidos e, portanto, apresentados em todas as superfícies. Em TIs fracos, no entanto, essas propriedades são protegidas apenas em superfícies com uma determinada orientação. Empilhando TIs bidimensionais, isto é QSHIs, para formar um cristal tridimensional, por exemplo, geralmente produz um TI fraco sem estados protegidos nas superfícies superior ou inferior do cristal:existem estados de superfície metálica herdados dos estados de borda do TI 2-D, mas também um plano de superfície isolante que fica normal à direção de empilhamento.

Trabalho teórico recente, também realizado por pesquisadores da MARVEL, sugeriu, no entanto, que este pode não ser o caso para empilhados, ou em massa, jacutingaíta. A pesquisa sugeriu um cenário mais complicado - o material pode ser um isolante cristalino topológico (TCI), bem como um TI fraco. Em TCIs, a topologia é definida pela simetria em relação a um plano de espelho e os estados da superfície metálica podem ser encontrados em superfícies perpendiculares a ele. Este estado pode ser esperado no material por causa de sua simetria de espelho tripla. Jacutingaíta também mantém simetria translacional no empilhamento das camadas, porém, o que significa que também pode apresentar as propriedades de um TI fraco. Até agora, Contudo, não houve resultados experimentais na estrutura de banda em massa.

Pesquisa iniciada pelo laboratório THEOS da EPFL e realizada em colaboração com o Departamento de Física Quântica da Universidade de Genebra e outros grupos, incluindo a Diamond Light Source no Reino Unido, No entanto, agora descreveu a primeira síntese de um único cristal de jacutingaíta e usou a amostra para fornecer evidências de sua natureza topológica dupla, comparando a estrutura eletrônica de massa e de superfície determinada a partir de experimentos de fotoemissão de ângulo resolvido com base em síncrotron (ARPES) com DFT cálculos. O papel, Estrutura Eletrônica de Massa e Superfície do Semimetal Pt de Topologia Dupla ₂ HgSe ₃ , foi publicado recentemente em Cartas de revisão física .

O trabalho revelou estados de superfície protegidos topologicamente no plano de clivagem natural (001) do material, inesperado, pois deve, ao invés, suportar uma fase topológica fraca, uma vez que é uma pilha de QSHIs 2-D. Cálculos de certos invariantes topológicos confirmaram a fase isolante topológica fraca geralmente caracterizada por modos sem intervalos nas superfícies laterais, mas estados totalmente espaçados nas superfícies superior e inferior. Os estados de superfície encontrados na superfície 001 foram, portanto, assumidos como a manifestação de uma fase topológica diferente.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que pode ser uma indicação da fase TCI associada à simetria tripla do espelho do cristal. Nesse caso, estados de superfície topologicamente protegidos são esperados em superfícies de cristal que preservam a simetria do espelho e este foi o caso para a superfície clivada (001).

Usando cálculos de primeiros princípios, os pesquisadores foram capazes de identificar este estado de superfície como a assinatura de uma fase TCI que coexiste com a fase WTI genérica encontrada nos mesmos cálculos. Os resultados, portanto, fornecem evidências para a topologia dupla prevista de Pt ₂ HgSe ₃ . O que permaneceu obscuro, entretanto, é o mecanismo por trás do status da jacutingaíta como isolante topológico duplo.

Esse mesmo tema foi abordado em trabalhos teóricos desenvolvidos no THEOS da EPFL, pesquisa que complementou o trabalho experimental e computacional realizado no outro artigo. No artigo, topologia dupla emergente no Kane-Mele Pt tridimensional ₂ HgSe ₃ , pesquisadores Antimo Marrazzo, Nicola Marzari, e o colega Marco Gibertini da Universidade de Genebra, anteriormente de THEOS, estendeu o modelo bidimensional de Kane-Mele (KM) usado para descrever materiais topológicos para jacutingaíta a granel. O artigo foi publicado recentemente na Physical Review Research.

Eles mostraram que a topologia inesperada em jacutingaíta em massa vem de uma forte hibridização entre camadas que leva a uma generalização 3-D do modelo KM. Enquanto as camadas mais próximas estão quase desacopladas, há um grande, termo peculiar de salto que indica forte acoplamento entre camadas separadas por duas camadas. Camadas pares e ímpares são, então, mais ou menos independentes e podem ser descritas separadamente por um modelo 3-D KM, apelidado de J3KM no jornal, que inclui uma inversão de banda impulsionada por este novo termo de salto. Isso resulta em uma linha nodal que é interrompida por acoplamento spin-órbita e um número de Chern diferente de zero - isto é, estados de superfície protegidos consistentes com TCIs. Quando o acoplamento entre as camadas pares e ímpares é restaurado, o material novamente atua como um WTI.

Essa visão fornece uma compreensão microscópica da topologia dupla emergente do material. O modelo J3KM prevê a presença de estados de superfície e linhas nodais espaçadas por interações spin-órbita, de acordo com as medições ARPES e simulações de primeiros princípios realizadas no outro artigo. O modelo é relevante para todos os outros materiais em camadas feitos de treliças de favo de mel empilhadas e fornece uma estratégia atraente para quebrar o paradigma padrão de isoladores topológicos fracos.

Finalmente, a combinação da evidência experimental, simulações de primeiros princípios e modelos teóricos em jacutingaíta 3-D apóiam a previsão anterior de THEOS de que a jacutingaíta 2-D é um isolador Hall de spin quântico Kane-Mele (semelhante ao grafeno).