Os elétrons habitam um mundo estranho e confuso. Essas partículas infinitesimalmente pequenas nunca deixaram de surpreender e mistificar, apesar de mais de um século que os cientistas as estudaram. Agora, em uma reviravolta ainda mais incrível, físicos descobriram que, sob certas condições, elétrons interagindo podem criar o que é chamado de 'estados quânticos topológicos'. Esta descoberta, que foi publicado recentemente no jornal Natureza , tem implicações para muitos campos tecnológicos de estudo, especialmente a tecnologia da informação.

Os estados topológicos da matéria são classes particularmente intrigantes de fenômenos quânticos. Seu estudo combina física quântica com topologia, que é o ramo da matemática teórica que estuda propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não intrinsecamente alteradas. Os estados quânticos topológicos chamaram a atenção do público pela primeira vez em 2016, quando três cientistas - Duncan Haldane de Princeton, quem é Thomas D. Jones Professor de Física Matemática de Princeton e Professor de Física da Universidade Sherman Fairchild, juntamente com David Thouless e Michael Kosterlitz - receberam o Prêmio Nobel por seu trabalho em descobrir o papel da topologia em materiais eletrônicos.

"A última década viu muito entusiasmo sobre os novos estados quânticos topológicos dos elétrons, "disse Ali Yazdani, Professor de Física da Classe de 1909 em Princeton e autor sênior do estudo. "A maior parte do que descobrimos na última década se concentrou em como os elétrons obtêm essas propriedades topológicas, sem pensar sobre eles interagindo uns com os outros. "

Mas, ao usar um material conhecido como grafeno de dupla camada torcida de ângulo mágico, Yazdani e sua equipe foram capazes de explorar como os elétrons interagindo podem dar origem a fases surpreendentes da matéria.

As propriedades notáveis ​​do grafeno foram descobertas há dois anos, quando Pablo Jarillo-Herrero e sua equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) o usaram para induzir a supercondutividade - um estado em que os elétrons fluem livremente sem qualquer resistência. A descoberta foi imediatamente reconhecida como uma nova plataforma material para explorar fenômenos quânticos incomuns.

Yazdani e seus colegas pesquisadores ficaram intrigados com essa descoberta e começaram a explorar ainda mais os meandros da supercondutividade.

Mas o que eles descobriram os levou por um caminho diferente e desconhecido.

"Este foi um desvio maravilhoso que veio do nada, "disse Kevin Nuckolls, o autor principal do artigo e um estudante de pós-graduação em física. "Foi totalmente inesperado, e algo que percebemos que seria importante. "

Seguindo o exemplo de Jarillo-Herrero e sua equipe, Yazdani, Nuckolls e os outros pesquisadores concentraram sua investigação no grafeno de camada dupla torcida.

"É realmente um material milagroso, "Nuckolls disse." É uma rede bidimensional de átomos de carbono que é um grande condutor elétrico e é um dos cristais mais fortes conhecidos. "

O grafeno é produzido de uma maneira aparentemente simples, mas meticulosa:um grande cristal de grafite, o mesmo grafite puro em lápis, é esfoliado com fita adesiva para remover as camadas superiores até finalmente atingir uma camada de carbono com a espessura de um átomo, com átomos dispostos em um padrão de rede plana favo de mel.

Para obter o efeito quântico desejado, os pesquisadores de Princeton, seguindo o trabalho de Jarillo-Herrero, colocou duas folhas de grafeno uma sobre a outra com a camada superior ligeiramente inclinada. Essa torção cria um padrão moiré, que se assemelha e tem o nome de um design têxtil francês comum. O ponto importante, Contudo, é o ângulo em que a camada superior de grafeno está posicionada:precisamente 1,1 graus, o ângulo "mágico" que produz o efeito quântico.

"É uma falha tão estranha na natureza, "Nuckolls disse, "que é exatamente esse ângulo que precisa ser alcançado." Inclinando a camada superior de grafeno em 1,2 graus, por exemplo, não produz nenhum efeito.

Os pesquisadores geraram temperaturas extremamente baixas e criaram um leve campo magnético. Eles então usaram uma máquina chamada microscópio de tunelamento de varredura, que se baseia em uma técnica chamada "tunelamento quântico" em vez de luz para visualizar o mundo atômico e subatômico. Eles direcionaram a ponta de metal condutora do microscópio na superfície do grafeno torcido em ângulo mágico e foram capazes de detectar os níveis de energia dos elétrons.

Eles descobriram que o grafeno do ângulo mágico mudou a forma como os elétrons se moviam na folha de grafeno. "Isso cria uma condição que força os elétrons a estarem com a mesma energia, "disse Yazdani." Chamamos isso de 'banda plana'. "

Quando os elétrons têm a mesma energia - estão em um material de banda plana - eles interagem entre si com muita força. "Essa interação pode fazer com que os elétrons façam muitas coisas exóticas, "Yazdani disse.

Uma dessas coisas "exóticas", os pesquisadores descobriram, foi a criação de estados topológicos inesperados e espontâneos.

"Essa torção do grafeno cria as condições certas para criar uma interação muito forte entre os elétrons, "Yazdani explicou." E essa interação favorece inesperadamente os elétrons para se organizarem em uma série de estados quânticos topológicos. "

Especificamente, eles descobriram que a interação entre os elétrons cria os chamados isolantes topológicos. São dispositivos únicos que atuam como isolantes em seus interiores, o que significa que os elétrons internos não são livres para se mover e, portanto, não conduzem eletricidade. Contudo, os elétrons nas bordas estão livres para se mover, o que significa que eles são condutores. Além disso, por causa das propriedades especiais da topologia, os elétrons que fluem ao longo das bordas não são prejudicados por quaisquer defeitos ou deformações. Eles fluem contínua e efetivamente contornam as restrições - como pequenas imperfeições na superfície de um material - que normalmente impedem o movimento dos elétrons.

Durante o curso do trabalho, O grupo experimental de Yazdani juntou dois outros principetonianos - Andrei Bernevig, professor de física, e Biao Lian, professor assistente de física - para compreender o mecanismo físico subjacente às suas descobertas.

"Nossa teoria mostra que dois ingredientes importantes - interações e topologia - que na natureza geralmente aparecem separados um do outro, combinar neste sistema, "Bernevig disse. Este acoplamento cria os estados isolantes topológicos que foram observados experimentalmente.

Embora o campo da topologia quântica seja relativamente novo, possui grande potencial para revolucionar as áreas da engenharia elétrica, ciência dos materiais e especialmente ciência da computação.

"As pessoas falam muito sobre sua relevância para a computação quântica, onde você pode usar esses estados quânticos topológicos para fazer melhores tipos de bits quânticos, "Yazdani disse." A motivação para o que estamos tentando fazer é entender como a informação quântica pode ser codificada dentro de uma fase topológica. A pesquisa nesta área está produzindo uma ciência nova e estimulante e pode ter um impacto potencial no avanço das tecnologias de informação quântica. "

Yazdani e sua equipe continuarão suas pesquisas para entender como as interações dos elétrons dão origem a diferentes estados topológicos.

"A interação entre a topologia e a supercondutividade neste sistema material é bastante fascinante e é algo que tentaremos entender a seguir, "Yazdani disse.