A busca continua para descobrir novos estados da matéria, e possivelmente novas formas de codificação, manipulando, e transporte de informações. Um dos objetivos é aproveitar as propriedades quânticas dos materiais para comunicações que vão além do que é possível com a eletrônica convencional. Isoladores topológicos - materiais que atuam principalmente como isolantes, mas transportam corrente elétrica em sua superfície - fornecem algumas possibilidades tentadoras.

"Explorar a complexidade dos materiais topológicos - junto com outros fenômenos emergentes intrigantes, como magnetismo e supercondutividade - é uma das áreas de foco mais empolgantes e desafiadoras para a comunidade científica de materiais no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, "disse Peter Johnson, um físico sênior na Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais em Brookhaven. "Estamos tentando entender esses isoladores topológicos porque eles têm muitas aplicações potenciais, particularmente na ciência da informação quântica, uma nova área importante para a divisão. "

Por exemplo, materiais com essa personalidade dividida de isolador / condutor exibem uma separação nas assinaturas de energia de seus elétrons de superfície com "spin" oposto. Esta propriedade quântica poderia ser potencialmente aproveitada em dispositivos "spintrônicos" para codificar e transportar informações. Indo um passo adiante, acoplar esses elétrons ao magnetismo pode levar a fenômenos novos e emocionantes.

"Quando você tem magnetismo próximo à superfície, você pode ter esses outros estados exóticos da matéria que surgem do acoplamento do isolador topológico com o magnetismo, "disse Dan Nevola, um pós-doutorado trabalhando com Johnson. "Se pudermos encontrar isolantes topológicos com seu próprio magnetismo intrínseco, devemos ser capazes de transportar com eficiência elétrons de um determinado spin em uma determinada direção. "

Em um novo estudo recém publicado e destacado como uma sugestão do editor em Cartas de revisão física , Nevola, Johnson, e seus co-autores descrevem o comportamento peculiar de um desses isolantes topológicos magnéticos. O artigo inclui evidências experimentais de que o magnetismo intrínseco na maior parte do telureto de bismuto de manganês (MnBi2Te4) também se estende aos elétrons em sua superfície eletricamente condutora. Estudos anteriores foram inconclusivos quanto à existência ou não do magnetismo de superfície.

Mas quando os físicos mediram a sensibilidade dos elétrons da superfície ao magnetismo, apenas um dos dois estados eletrônicos observados se comportou conforme o esperado. Outro estado superficial, que esperava ter uma resposta maior, agia como se o magnetismo não existisse.

"O magnetismo é diferente na superfície? Ou há algo exótico que simplesmente não entendemos?" Disse Nevola.

Johnson se inclina para a explicação da física exótica:"Dan fez esse experimento muito cuidadoso, o que lhe permitiu olhar para a atividade na região da superfície e identificar dois estados eletrônicos diferentes naquela superfície, um que pode existir em qualquer superfície metálica e um que reflete as propriedades topológicas do material, "disse ele." O primeiro era sensível ao magnetismo, o que prova que o magnetismo realmente existe na superfície. Contudo, o outro que esperávamos ser mais sensível não tinha sensibilidade nenhuma. Então, deve haver alguma física exótica acontecendo! "

As medições

Os cientistas estudaram o material usando vários tipos de espectroscopia de fotoemissão, onde a luz de um pulso de laser ultravioleta bate os elétrons soltos da superfície do material e em um detector para medição.

"Para um de nossos experimentos, usamos um pulso de laser infravermelho adicional para dar à amostra um pequeno impulso para mover alguns dos elétrons antes de fazer a medição, "Nevola explicou." Leva alguns dos elétrons e os eleva [para cima em energia] para se tornarem elétrons condutores. Então, em muito, escalas de tempo muito curtas - picossegundos - você faz a medição para ver como os estados eletrônicos mudaram em resposta. "

O mapa dos níveis de energia dos elétrons excitados mostra duas bandas de superfície distintas em que cada uma exibe ramos separados, elétrons em cada ramo com spin oposto. Ambas as bandas, cada um representando um dos dois estados eletrônicos, eram esperados para responder à presença de magnetismo.

Para testar se esses elétrons de superfície eram de fato sensíveis ao magnetismo, os cientistas resfriaram a amostra a 25 Kelvin, permitindo que seu magnetismo intrínseco surja. No entanto, apenas no estado eletrônico não topológico eles observaram uma "lacuna" se abrindo na parte antecipada do espectro.

"Dentro dessas lacunas, elétrons são proibidos de existir, e, portanto, seu desaparecimento dessa parte do espectro representa a assinatura da lacuna, "Disse Nevola.

A observação de uma lacuna aparecendo no estado regular da superfície foi a evidência definitiva da sensibilidade magnética - e a evidência de que o magnetismo intrínseco na maior parte deste material em particular se estende aos elétrons de sua superfície.

Contudo, o estado eletrônico "topológico" que os cientistas estudaram não mostrou tal sensibilidade ao magnetismo - nenhuma lacuna.

"Isso cria um certo ponto de interrogação, "Disse Johnson.

"Estas são propriedades que gostaríamos de ser capazes de entender e projetar, da mesma forma que projetamos as propriedades dos semicondutores para uma variedade de tecnologias, "Johnson continuou.

Na spintrônica, por exemplo, a ideia é usar diferentes estados de spin para codificar informações da maneira como as cargas elétricas positivas e negativas são atualmente usadas em dispositivos semicondutores para codificar os "bits" - 1s e 0s - do código do computador. Mas bits quânticos com código de spin, ou qubits, tem muitos mais estados possíveis - não apenas dois. Isso expandirá muito o potencial de codificar informações de maneiras novas e poderosas.

"Tudo sobre isoladores topológicos magnéticos parece que eles são adequados para este tipo de aplicação tecnológica, mas este material em particular não obedece às regras, "Disse Johnson.

Então agora, à medida que a equipe continua sua busca por novos estados da matéria e novas percepções do mundo quântico, há uma nova urgência para explicar o comportamento quântico peculiar deste material em particular.