(a) e (b) mostram as estruturas de banda eletrônica de Bi2Te3 e uma amostra de isolador topológico magnético; a estrutura do cone de Dirac é muito mais proeminente neste último. (c) Os dois picos de fotoemissão destacados e sua fusão progressiva foram atribuídos ao fechamento do gap DC conforme a temperatura aumenta. Crédito:Nature Communications
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio lançaram luz sobre a relação entre as propriedades magnéticas de isoladores topológicos e sua estrutura de banda eletrônica. Seus resultados experimentais oferecem novos insights sobre debates recentes sobre a evolução da estrutura de banda com a temperatura nestes materiais, que exibem fenômenos quânticos incomuns e são considerados cruciais na eletrônica de próxima geração, spintrônica, e computadores quânticos.
Isoladores topológicos têm a propriedade peculiar de serem eletricamente condutores na superfície, mas isolantes em seu interior. Isso aparentemente simples, característica única permite que esses materiais hospedem uma infinidade de fenômenos quânticos exóticos que seriam úteis para computadores quânticos, spintrônica, e sistemas optoeletrônicos avançados.
Para desbloquear algumas das propriedades quânticas incomuns, Contudo, é necessário induzir magnetismo em isoladores topológicos. Em outras palavras, algum tipo de 'ordem' em como os elétrons no material se alinham em relação uns aos outros precisa ser alcançada. Em 2017, um novo método para alcançar esse feito foi proposto. Denominado 'extensão magnética, 'a técnica envolve a inserção de uma monocamada de um material magnético na camada superior do isolador topológico, que contorna os problemas causados por outros métodos disponíveis, como dopagem com impurezas magnéticas.
Infelizmente, o uso de extensão magnética levou a questões complexas e respostas conflitantes em relação à estrutura de banda eletrônica dos materiais resultantes, que dita os possíveis níveis de energia dos elétrons e, em última análise, determina as propriedades condutoras do material. Isoladores topológicos são conhecidos por exibir o que é conhecido como cone de Dirac (DC) em sua estrutura de banda eletrônica que se assemelha a dois cones frente a frente. Em teoria, o DC não tem abertura para isoladores topológicos comuns, mas fica bloqueado pela indução do magnetismo. Contudo, a comunidade científica não concordou sobre a correlação entre a lacuna entre as duas pontas do cone e as características magnéticas do material experimentalmente.
Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura foram usadas junto com espectroscopia de energia dispersiva para determinar a composição atômica das duas estruturas possíveis das amostras. Crédito:Nature Communications
Em um esforço recente para resolver este assunto, cientistas de várias universidades e institutos de pesquisa realizaram um estudo colaborativo liderado pelo Assoc Prof Toru Hirahara da Tokyo Tech, Japão. Eles fabricaram estruturas topológicas magnéticas depositando Mn e Te em Bi 2 Te 3 , um isolante topológico bem estudado. Os cientistas teorizaram que camadas extras de Mn interagiriam mais fortemente com Bi 2 Te 3 e que as propriedades magnéticas emergentes podem ser atribuídas a mudanças no gap DC, como explica Hirahara:"Esperávamos que fortes interações magnéticas entre camadas levassem a uma situação em que a correspondência entre as propriedades magnéticas e o gap DC fosse nítida em comparação com estudos anteriores."
Ao examinar as estruturas de banda eletrônica e as características de fotoemissão das amostras, eles demonstraram como o gap DC fecha progressivamente à medida que a temperatura aumenta. Adicionalmente, eles analisaram a estrutura atômica de suas amostras e encontraram duas configurações possíveis, MnBi 2 Te 4 /Bi 2 Te 3 e Mn 4 Bi 2 Te 7 /Bi 2 Te 3 , o último dos quais é responsável pelo gap DC.
Contudo, uma descoberta peculiarmente intrigante foi que a temperatura na qual o gap DC fecha está bem acima da temperatura crítica (TC), acima do qual os materiais perdem sua ordem magnética permanente. Isso está em total contraste com estudos anteriores que indicaram que o gap DC ainda pode ser aberto a uma temperatura mais alta do que o TC do material sem fechar. Nesta nota, Hirahara observa:"Nossos resultados mostram, pela primeira vez, que a perda de ordem magnética de longo alcance acima do TC e o fechamento do gap DC não estão correlacionados. "
Embora mais esforços sejam necessários para esclarecer a relação entre a natureza do gap DC e as propriedades magnéticas, este estudo é um passo na direção certa. Esperançosamente, uma compreensão mais profunda desses fenômenos quânticos nos ajudará a colher o poder dos isoladores topológicos para a eletrônica de última geração e a computação quântica.
