A estrutura eletrônica de cristais não magnéticos pode ser classificada por teorias completas de topologia de banda, uma reminiscência de uma "tabela periódica topológica". Contudo, tal classificação para materiais magnéticos tem sido elusiva, até agora, e, portanto, muito poucos materiais topológicos magnéticos foram descobertos até hoje. Em um novo estudo publicado na revista Natureza , uma equipe internacional de pesquisadores realizou a primeira pesquisa de alto rendimento para materiais topológicos magnéticos, encontrar mais de 100 novos isolantes topológicos magnéticos e semimetais.

A tabela periódica classifica os elementos por suas propriedades químicas, como o número de elétrons ou eletronegatividade. Essa classificação levou à previsão - e subsequente descoberta - de novos elementos. Analogamente, as estruturas eletrônicas de sólidos cristalinos não magnéticos - coleções de elementos colocados com espaçamentos regulares - foram recentemente classificadas por meio de uma "tabela periódica topológica" baseada nas teorias completas da química quântica topológica e indicadores baseados em simetria. Com base na topologia de suas funções de onda eletrônicas, dezenas de milhares de materiais topológicos não magnéticos foram identificados, levando à descoberta de milhares de novos isolantes topológicos.

Ao contrário de suas contrapartes não magnéticas, compostos magnéticos atualmente não podem ser classificados por métodos topológicos automatizados. Em vez de, a pesquisa em materiais topológicos magnéticos foi realizada ad hoc, e foi motivado por suas aplicações potenciais como conversores termoelétricos eficazes, componentes de eficiência energética em dispositivos microeletrônicos que poderiam estar no coração dos computadores quânticos, ou meios de armazenamento magnéticos aprimorados. Contudo, embora os primeiros estudos teóricos de materiais topológicos e suas propriedades no início dos anos 1980 tenham sido concebidos em sistemas magnéticos - esforços premiados com o Prêmio Nobel de Física em 2016, os últimos 40 anos de avanços na descoberta de materiais topológicos ocorreram principalmente nas áreas de isolantes topológicos não magnéticos e semimetais.

A relativa ausência de materiais topológicos magnéticos candidatos pode ser atribuída às complicadas simetrias de cristais magnéticos, e às dificuldades teóricas e experimentais envolvidas na modelagem e medição de ímãs quânticos. Primeiro, enquanto centenas de milhares de compostos conhecidos são pesquisáveis ​​por sua estrutura de cristal em bancos de dados estabelecidos, existem apenas centenas de estruturas magnéticas medidas experimentalmente disponíveis nas maiores bases de dados de materiais magnéticos. Segundo, Considerando que as estruturas não magnéticas são classificadas em apenas 230 grupos espaciais, materiais magnéticos são classificados por 1, 421 grupos espaciais magnéticos. "Além do mais, em todos os sistemas magnéticos, devemos também nos preocupar com os efeitos das interações elétron-elétron, que são notoriamente difíceis de modelar. Isso torna a tarefa de prever materiais topológicos magnéticos significativamente mais complicada, mesmo se os números fossem mais favoráveis, "disse B. Andrei Bernevig, professora de física da Universidade de Princeton e uma das autoras do presente estudo que visa remediar esse problema.

No estudo, publicado em Natureza , uma equipe internacional de pesquisadores deu um grande passo em direção à descoberta de materiais magnéticos com propriedades eletrônicas topológicas não triviais.

“A classificação e o diagnóstico da topologia de banda em materiais magnéticos efetivamente fecham o loop iniciado há 40 anos em um campo cuja relevância foi reforçada pelos prêmios Nobel de Física em 1985 e 2016, "diz a autora Claudia Felser, um diretor do Instituto Max Planck em Dresden.

Em 2017, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Princeton, a Universidade do País Basco, Instituto Max Planck, e o DIPC desenvolveu um novo, compreensão completa da estrutura de bandas em materiais não magnéticos. "Nesta teoria - química quântica topológica (TQC) - associamos as características topológicas de um material à sua química subjacente. Isso transformou a busca por materiais topológicos não magnéticos em uma forma que pudesse ser efetivamente automatizada, "disse Luis Elcoro, professor da Universidade do País Basco em Bilbao e co-autor de ambos os estudos. TQC representa uma estrutura universal para prever e caracterizar todas as estruturas de banda possíveis e cristalinas, materiais estequiométricos. TQC foi posteriormente aplicado a 35, 000 compostos não magnéticos estabelecidos experimentalmente, levando à descoberta de 15, 000 novos materiais topológicos não magnéticos.

"Identificamos milhares de materiais topológicos nos últimos dois anos, enquanto apenas algumas centenas foram identificadas anteriormente nas últimas duas décadas. Antes da aplicação dessas novas ferramentas, a busca por novos materiais com essas propriedades surpreendentes era como procurar uma agulha em um palheiro no crepúsculo. Agora, pesquisar materiais topológicos não magnéticos é quase um exercício de rotina, "disse Maia Vergniory, professor assistente da Fundação IKERBASQUE para a Ciência e do DIPC, e coautor de ambos os estudos.

As pesquisas atuais estão cada vez mais focadas em compostos magnéticos. Muito poucos materiais magnéticos foram teoricamente propostos para hospedar fases topológicas magnéticas antiferromagnéticas, e apenas um punhado foi confirmado experimentalmente. "Uma teoria equivalente ao TQC é necessária para alcançar um sucesso comparável no estudo de materiais magnéticos. No entanto, porque existem mais de mil grupos de simetria magnética a serem considerados, o problema é essencialmente intratável pela força bruta, "disse Benjamin Wieder, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Princeton, e um autor do presente estudo.

Os pesquisadores enfrentaram dois obstáculos principais para reproduzir o sucesso obtido com materiais não magnéticos:por um lado, a maquinaria teórica necessária para analisar a topologia de banda de um dado material magnético teve que ser elucidada. "Vemos o conjunto completo de ferramentas como um edifício. Enquanto os materiais não magnéticos representavam uma casa geminada robusta, a teoria completa dos materiais magnéticos era essencialmente um arranha-céu inacabado, "disse Zhida Song, pesquisador de pós-doutorado em Princeton e autor do novo estudo.

Para descoberta de material topológico, outro problema é que o número de materiais magnéticos cuja estrutura magnética é conhecida em detalhes confiáveis ​​é bastante pequeno. "Considerando que tínhamos 200, 000 compostos não magnéticos para analisar, o maior banco de dados de estruturas magnéticas medidas experimentalmente tem cerca de 1, 000 entradas. Somente na última década os cientistas tentaram seriamente classificar e coletar os dados estruturais desses materiais magnéticos, "acrescenta o autor Nicolas Regnault, professor da Ecole Normale Supérieure, CNRS, e Princeton.

"Felizmente, tivemos o trabalho assíduo dos responsáveis ​​pela base de dados de estruturas magnéticas do Servidor Cristalográfico de Bilbao, o que nos permitiu inserir os dados iniciais corretos em nossos modelos teóricos, "disse Yuanfeng Xu, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto Max Planck em Halle, e o primeiro autor do presente estudo. As informações magnéticas estão hospedadas no Servidor Cristalográfico de Bilbao, que é parcialmente desenvolvido pelo Prof. Elcoro.

Após uma seleção dos melhores candidatos em potencial, a equipe analisou 549 estruturas magnéticas, aplicando primeiro métodos ab-initio para obter as simetrias magnéticas das funções de onda eletrônicas, e, em seguida, construir uma extensão magnética de TQC para determinar quais estruturas magnéticas hospedaram a topologia de banda eletrônica não trivial. "No fim, descobrimos que a proporção de materiais magnéticos topológicos (130 de 549) na natureza parece ser semelhante à proporção de compostos não magnéticos, "acrescentou o Dr. Xu.

Apesar do baixo número absoluto de compostos magnéticos em relação aos milhares de materiais não magnéticos estudados até agora, os autores encontraram uma diversidade ainda maior de características fascinantes. "O número de botões para estudos experimentais intrigantes, como controlar as transições de fase topológica, parece ser maior em materiais magnéticos, "disse o Dr. Xu." Agora que previmos novos materiais topológicos magnéticos, a próxima etapa é verificar experimentalmente suas propriedades topológicas, "adicionou o autor Yulin Chen, professor em Oxford e Shanghai Tech.

Os pesquisadores também criaram um banco de dados online para acesso livre aos resultados do presente estudo - http://www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Usando diferentes ferramentas de pesquisa, os usuários podem explorar as propriedades topológicas das mais de 500 estruturas magnéticas analisadas. "Lançamos as bases de um catálogo de estruturas magnéticas topológicas. A padronização do uso da simetria magnética em ambientes experimentais e teóricos, acompanhada pela ampla adoção das ferramentas desenvolvidas neste trabalho, espera-se que leve a uma explosão ainda maior de descobertas em materiais topológicos magnéticos nos próximos anos, "disse Bernevig.