Em materiais topológicos, elétrons podem exibir um comportamento que é fundamentalmente diferente daquele da matéria 'convencional', e a magnitude de muitos desses fenômenos "exóticos" é diretamente proporcional a uma entidade conhecida como número de Chern. Novos experimentos estabelecem pela primeira vez que o número máximo de Chern teoricamente previsto pode ser alcançado - e controlado - em um material real.

Quando a Real Academia Sueca de Ciências concedeu o Prêmio Nobel de Física 2016 a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz, eles elogiaram o trio por ter "aberto a porta para um mundo desconhecido onde a matéria pode assumir estados estranhos". Longe de ser uma raridade, as descobertas de transições de fase topológica e fases topológicas da matéria, para o qual os três teóricos contribuíram de forma tão crucial, tornou-se um dos campos de pesquisa mais ativos da física da matéria condensada hoje. Os materiais topológicos mantêm a promessa, por exemplo, para levar a novos tipos de componentes eletrônicos e supercondutores, e eles abrigam conexões profundas nas áreas da física e da matemática.

Embora novos fenômenos sejam descobertos rotineiramente, há aspectos fundamentais a serem resolvidos. Um deles é o quão 'fortes' os fenômenos topológicos podem ser em um material real. Respondendo a essa questão, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo pesquisador de pós-doutorado do PSI Niels Schröter fornece agora uma referência importante. Escrevendo em Ciência , eles relatam experimentos em que observaram que no semimetal paládio gálio (PdGa) topológico um dos classificadores mais comuns de fenômenos topológicos, o número Chern, pode atingir o valor máximo permitido em qualquer cristal metálico. Que isso é possível em um material real, nunca foi mostrado antes. Além disso, a equipe estabeleceu maneiras de controlar o sinal do número Chern, o que pode trazer novas oportunidades para explorar, e explorando, fenômenos topológicos.

Desenvolvido ao máximo

Em trabalhos teóricos, foi previsto que em semimetais topológicos o número de Chern não pode exceder uma magnitude de quatro. Como sistemas candidatos exibindo fenômenos com tais números máximos de Chern, cristais quirais foram propostos. Estes são materiais cujas estruturas de treliça têm uma destreza bem definida, no sentido de que eles não podem ser transformados em sua imagem no espelho por qualquer combinação de rotações e translações. Várias estruturas candidatas foram estudadas. Uma observação experimental conclusiva de um número Chern de mais ou menos quatro, Contudo, permaneceu indescritível. Os esforços anteriores foram prejudicados por dois fatores em particular. Primeiro, um pré-requisito para realizar um número máximo de Chern é a presença de acoplamento spin-órbita, e pelo menos em alguns dos materiais estudados até agora, esse acoplamento é relativamente baixo, dificultando a resolução das cisões de interesses. Segundo, preparar superfícies limpas e planas de cristais relevantes tem sido um grande desafio, e, como consequência, as assinaturas espectroscópicas tendiam a ser apagadas.

Schröter et al. superaram essas duas limitações trabalhando com cristais de PdGa. O material exibe forte acoplamento spin-órbita, e existem métodos bem estabelecidos para a produção de superfícies imaculadas. Além disso, na linha de luz de Espectroscopias Ressonantes Avançadas (ADRESS) da Swiss Light Source em PSI, eles tinham recursos exclusivos à sua disposição para experimentos ARPES de alta resolução e, assim, para resolver os padrões espectroscópicos reveladores previstos. Em combinação com outras medições na Diamond Light Source (Reino Unido) e com cálculos ab initio dedicados, esses dados revelaram assinaturas firmes e rápidas na estrutura eletrônica do PdGa que não deixaram dúvidas de que o número máximo de Chern foi realizado.

Uma mão no número Chern

A equipe deu um passo adiante, além da observação de um número máximo de Chern. Eles mostraram que a natureza quiral dos cristais de PdGa oferece a possibilidade de controlar o sinal desse número também. Para demonstrar tal controle, eles cultivaram amostras que eram canhotos ou destros (veja a figura). Quando eles olharam para as estruturas eletrônicas dos dois enantiômeros, eles descobriram que a quiralidade dos cristais se reflete na quiralidade da função de onda eletrônica. Tomados em conjunto, isso significa que em semimetais quirais a lateralidade, que pode ser determinado durante o crescimento do cristal, pode ser usado para controlar fenômenos topológicos emergentes do comportamento dos elétrons no material. Esse tipo de controle abre um tesouro de novos experimentos. Por exemplo, novos efeitos podem surgir na interface entre diferentes enantiômeros, um com o número Chern +4 e o outro com -4. E há perspectivas reais de aplicativos, também. Semimetais topológicos quirais podem hospedar fenômenos fascinantes, como fotocorrentes quantizadas. Curiosamente, PdGa é conhecido por suas propriedades catalíticas, convidando à questão sobre o papel dos fenômenos topológicos em tais processos.

Finalmente, as descobertas agora obtidas para PdGa emergem de propriedades de banda eletrônica que são compartilhadas por muitos outros compostos quirais - o que significa que o canto do "mundo desconhecido onde a matéria pode assumir estados estranhos" em que Schröter e seus colegas agora se aventuraram provavelmente terá muito mais para oferecer.