O conceito de quiralidade está bem estabelecido na ciência:quando um objeto não pode ser sobreposto à sua imagem no espelho, tanto o objeto quanto sua imagem no espelho são chamados de quiral. Na indústria farmacêutica, por exemplo, mais de 50% das moléculas farmaceuticamente ativas utilizadas atualmente são moléculas quirais. Enquanto um dos 'enantiômeros' salva vidas, sua contraparte com lateralidade oposta pode ser venenosa. Outro conceito que encontrou amplo interesse na ciência dos materiais contemporânea é a topologia, já que muitos dos chamados materiais topológicos apresentam propriedades exóticas. Por exemplo, materiais topológicos podem ter estados de borda protegidos onde os elétrons fluem livremente sem resistência, como se um caminho supercondutor de elétrons fosse criado na borda de um material. Essas propriedades não convencionais são uma manifestação da natureza quântica da matéria. Os materiais topológicos podem ser classificados por um número quântico especial, chamada de carga topológica ou número de Chern.

Os materiais topológicos quirais têm propriedades particularmente únicas que podem ser úteis em futuros dispositivos para computadores quânticos, que podem acelerar consideravelmente os cálculos. Um exemplo de tal propriedade é a grande corrente fotogalvânica quantizada há muito procurada. Aqui, uma corrente CC fixa é gerada em um material topológico quiral, uma vez exposto a uma luz polarizada circularmente, que é independente da intensidade da radiação incidente e sua direção pode ser manipulada pela polarização da luz incidente. Este fenômeno se baseia no fato de que o material possui uma alta carga topológica de 4, que é o valor máximo possível em qualquer material.

Químicos de estado sólido e físicos do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos (MPI CPfS), o Instituto Leibniz para Pesquisa de Estado Sólido e Materiais (IFW), o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), o Helmholtz-Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie (HZB) e a Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hefei conseguiu perceber este estado eletrônico peculiar pela primeira vez no novo composto topológico quiral PtGa. Seus resultados foram publicados em Nature Communications .

No estudo, os pesquisadores usaram acoplamento spin-órbita excepcionalmente forte em PtGa como o parâmetro-chave para resolver claramente e contar o número de estados de superfície topológicos especiais, chamados arcos de Fermi, que determinam a carga topológica. "PtGa é o melhor composto existente na natureza com estrutura quiral B20 para observar arcos de Fermi com divisão de spin e realizar o Chern máximo número 4, pois tem o acoplamento spin-órbita mais forte." diz Kaustuv Manna, um dos autores do estudo que trabalha como cientista no Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos de Dresden.

Cálculos teóricos realizados por Yan Sun e seus colegas sugeriram que o composto PtGa é um candidato altamente promissor para observar a alta carga topológica que foi verificada experimentalmente por Mengyu Yao e seus colegas que realizaram estudos detalhados de espectroscopia de fotoemissão com resolução angular (ARPES). ARPES é uma ferramenta poderosa para investigar o comportamento dos elétrons em sólidos.

"O trabalho de Yao et al. Revela que PtGa é um semimetal topológico com carga quiral máxima e tem o acoplamento spin-orbital mais forte entre todos os cristais quirais identificados até o momento. Esta observação é significativa e tem grandes implicações para suas propriedades de transporte, como o magnetotransporte. "explica Ming Shi, professor e cientista sênior do Instituto Paul Scherrer, Suíça.

O estudo é um exemplo de excelente colaboração entre grupos de pesquisa que cobrem diferentes áreas de especialização. Dentro do cluster de excelência ct.qmat, os cientistas estão cooperando para investigar fundamentalmente novos estados da matéria. "Estamos nos concentrando em novos materiais cujas propriedades e funções observadas são impulsionadas por interações da mecânica quântica em nível atômico, com semimetais como PtGa sendo um dos exemplos mais interessantes, "diz Jochen Wosnitza, Diretor do Laboratório de Alto Campo Magnético de Dresden (HLD) em HZDR, referindo-se a um dos principais tópicos de pesquisa do cluster. Os institutos que participam do cluster e colaboram na publicação atual incluem os parceiros do conceito DRESDEN MPI CPfS, IFW, e HZDR.