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    Isoladores quânticos criam rodovias multilinhas para elétrons

    Uma equipe de pesquisadores da Penn State demonstrou experimentalmente um fenômeno quântico chamado efeito Hall anômalo quântico de alto número de Chern (QAH). Eles empilharam camadas alternadas de isoladores topológicos magnéticos e não magnéticos, ilustrado aqui como Legos empilhados, e manipulou uma quantidade topológica chamada número de Chern (C) para criar até 5 rodovias paralelas para elétrons em cada lado do material. Abaixo:resultados experimentais que demonstram o efeito QAH com número de Chern de 1 a 5. Crédito:Zhao et al., Natureza

    Novos dispositivos eletrônicos com eficiência energética podem ser possíveis graças à pesquisa que demonstra o efeito Hall anômalo quântico (QAH) - em que uma corrente elétrica não perde energia à medida que flui ao longo das bordas do material - em uma ampla gama de condições. Uma equipe de pesquisadores da Penn State percebeu experimentalmente o efeito QAH em um isolador multicamadas, essencialmente produzindo uma rodovia multilinha para o transporte de elétrons que pudesse aumentar a velocidade e a eficiência da transferência de informações sem perda de energia.

    “Baixo consumo de energia é fundamental em dispositivos eletrônicos, portanto, há muitas pesquisas sobre materiais que podem melhorar a eficiência do fluxo de elétrons, "disse Cui-Zu Chang, professor assistente de física na Penn State que liderou a pesquisa. "Aumentar o número de elétrons na maioria dos metais resulta em uma espécie de congestionamento porque os elétrons que se movem em direções diferentes se espalham e se repelem. Mas, em isoladores QAH, o fluxo de elétrons é restrito às bordas, e os elétrons em uma borda só podem ir em uma direção e aqueles na outra borda só podem ir na direção oposta, como dividir uma estrada em uma rodovia de duas pistas. Neste estudo, nós fabricamos isoladores QAH que poderiam ser dispostos em camadas para essencialmente criar rodovias paralelas umas sobre as outras. "

    Os isoladores QAH são criados em um material chamado isolante topológico - uma fina camada de filme com uma espessura de apenas algumas dezenas de átomos - que foi tornado magnético para que apenas conduzam corrente ao longo das bordas. Para fazer isolantes topológicos magnéticos, os pesquisadores adicionam impurezas magnéticas ao material em um processo chamado dopagem magnética diluída. Neste estudo, a equipe de pesquisa da Penn State usou uma técnica chamada epitaxia de feixe molecular para fabricar isoladores topológicos multicamadas, controlar cuidadosamente onde ocorreu o doping magnético.

    "Os isoladores QAH são de particular interesse porque teoricamente não têm dissipação de energia, o que significa que os elétrons não perdem energia na forma de calor à medida que a corrente elétrica flui ao longo das bordas, "disse Chao-Xing Liu, professor associado de física na Penn State e co-autor do artigo. "Esta propriedade única torna os isoladores QAH um bom candidato para uso em computadores quânticos e outros pequenos, dispositivos eletrônicos rápidos. "

    Em estudos anteriores, o efeito QAH foi realizado experimentalmente apenas em materiais onde uma quantidade importante chamada número de Chern tinha o valor 1, essencialmente com uma única rodovia de duas pistas para elétrons. Neste estudo, os pesquisadores empilharam camadas alternadas de isoladores topológicos magnéticos e não magnéticos e foram capazes de perceber o estado de QAH com números de Chern até 5, essencialmente construindo 5 rodovias paralelas para elétrons em cada lado do material para um total de 10 pistas. Eles apresentam seus resultados em um artigo publicado on-line em 16 de dezembro no jornal Natureza .

    "Vemos alguma dissipação de corrente nos pontos de conexão entre os isoladores QAH e os eletrodos metálicos, que ocorre na forma de calor, "disse Liu." Você pode pensar nisso como as rampas de entrada e saída de uma rodovia movimentada, onde a estreita faixa de convergência com o tráfego local retarda você. Ao construir mais rodovias paralelas, mais faixas de junção podem conectar as rodovias ao tráfego local, para que a velocidade geral de todo o sistema de tráfego possa ser bastante melhorada. "

    Os pesquisadores descobriram que, ao aumentar a espessura das camadas isolantes de QAH, ou manipulando a concentração de dopagem magnética na camada QAH, eles poderiam ajustar o número de Chern da amostra. "Em outras palavras, poderíamos mudar o número de pistas na rodovia com um botão externo, "disse Chang." Mesmo com números altos de Chern, os isoladores QAH não tiveram dissipação ao longo dos canais de borda. Isso fornece uma prova de conceito para dispositivos que tiram vantagem dessa corrente de borda sem dissipação. "

    Neste estudo, os pesquisadores fabricaram cuidadosamente isoladores QAH separados com diferentes números de Chern. No futuro, eles esperam desenvolver uma técnica para ajustar o número de Chern de uma amostra já fabricada, para controle em "tempo real" do tráfego de elétrons em uma rodovia da informação.

    Traduzir o avanço fundamental feito neste estudo em uma tecnologia prática ainda é um desafio, uma vez que os fenômenos estudados aqui são limitados a temperaturas muito baixas - cerca de um centésimo de grau Kelvin acima do zero absoluto. Mas Chang é otimista:"Por meio da síntese de materiais criativos, podemos imaginar cenários que podem nos ajudar a perceber esses efeitos sob condições tecnologicamente relevantes. "


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