p Um novo estudo fornece a primeira evidência de partículas exóticas, conhecido como quasipartículas topológicas quádruplas, na liga metálica de monossilicida de cobalto. Publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências , esta análise abrangente, aquele que combina dados experimentais com modelos teóricos, fornece uma compreensão detalhada deste material. Esses insights podem ser usados ​​para projetar este e outros materiais semelhantes com propriedades únicas e controláveis. A descoberta foi resultado de uma colaboração entre pesquisadores da Penn, Universidade de Friburgo, Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, e a Universidade de Maryland. p As teorias que sustentam os isoladores topológicos, materiais com uma superfície condutora e um núcleo isolante, foram pioneiros por Penn's Charlie Kane e Eugene Mele, vencedores do Prêmio Revelação de Física Fundamental de 2019. Por meio de suas contribuições teóricas sobre topologia e simetria, Kane e Mele postularam a existência desta nova classe de materiais, aqueles que poderiam ser usados ​​para criar eletrônicos de alta eficiência ou plataformas de computação quântica.

p "Mas o desejo de todos os teóricos é que seu trabalho seja traduzido para o mundo real, "diz o químico Andrew M. Rappe, que colabora com Kane e Mele em maneiras de descobrir materiais do mundo real que têm essas propriedades exóticas. "A recente contratação do professor Liang Wu leva nosso grupo de física topológica a um novo nível, um onde podemos entender os materiais e observar suas propriedades, tudo em um close, loop colaborativo. "

p Desde que vim para a Pensilvânia em 2018, Wu e seu laboratório usaram experimentos óticos para estudar como a luz interage com materiais topológicos e estão interessados ​​em validar algumas das teorias existentes sobre essa classe de materiais. Ano passado, O estudante de graduação Zhuoliang Ni estava conduzindo experimentos de laser de pulso de luz com monossilicida de cobalto (CoSi) para entender melhor a relação entre a topologia e a óptica não linear e para ver se eles poderiam usar esse material para converter luz em corrente elétrica. Os dados coletados parecem sugerir que pode haver algumas características topológicas únicas do CoSi. "Percebi que há algo interessante na condutividade óptica por si só, "diz Wu, que então procurou Mele e Rappe sobre o desenvolvimento de uma teoria para ajudar a explicar os resultados de seu experimento.

p Embora o CoSi tenha sido estudado antes, os novos dados coletados pelo laboratório de Wu eram de qualidade superior ao trabalho anterior, permitindo aos pesquisadores desenvolver um modelo que forneceu uma explicação mais robusta de suas descobertas.

p "As previsões da física topológica sugeriram que este material deveria ter algumas propriedades interessantes, como a condutividade óptica linear com o aumento da energia do fóton, mas um material real tem muitos fenômenos acontecendo ao mesmo tempo, "diz Rappe." Os teóricos gradualmente tornam seu modelo mais complicado e realista, e os experimentalistas respondem por outros recursos para simplificar a apresentação experimental. É assim que chegamos a um acordo sobre quais recursos podem ser atribuídos às propriedades topológicas. "

p Depois de quase um ano de análise de dados e iteração em diferentes teorias, uma das coisas que se destacaram foi a qualidade desses modelos, variando de simples a complexo, concordaram um com o outro. "É surpreendente ver este nível de concordância para nós, "diz o estudante de pós-graduação Zhenyao Fang, que conduziu a parte teórica deste estudo. "Alguns modelos são puramente derivados de teorias físicas, e alguns são modelos numéricos derivados de métodos de primeiros princípios, portanto, é surpreendente observar esse tipo de acordo entre eles. "

p Agora, graças a uma combinação de dados mais limpos e modelos teóricos robustos, esta coesão entre a teoria e os experimentos demonstrados neste artigo representa um grande passo à frente, disse Wu. "A concordância entre experimento e teoria é extremamente boa, ", acrescenta." Aqui fornecemos um exemplo de uma combinação abrangente de experimento e compreensão teórica, e isso pode ser aplicado a muitos outros novos materiais ou sistemas que serão descobertos no futuro. "

p Como o CoSi pertence a uma família de materiais com uma estrutura cristalina muito comum, o material poderia ser usado em ligas com magnetismo que são projetadas para ter propriedades magnéticas topológicas mais complexas devido à capacidade de controlar seu projeto átomo por átomo.

p Este trabalho também é uma vitrine da experiência de Penn em física topológica e abre o caminho para o futuro progresso experimental e teórico neste campo na Universidade, diz Rappe. "Agora temos um grupo vibrante que une esforços em eletrônica topológica e fotônica, ", diz ele." A física topológica está crescendo, e abrimos um caminho que outras pessoas podem seguir com outros materiais para projetar propriedades optoeletrônicas desejáveis. "