Intensidades de difração de raios-X registradas na vizinhança do (620, 000) reflexão principal da fase de onda de densidade de carga (CDW) do semimetal de Weyl topológico (TaSe 4 ) 2 I. Índices pequenos (vermelhos) marcam as reflexões do satélite. O CDW vincula e separa os pontos de Weyl. Crédito:MPI de Microestrutura Física
Os materiais topológicos são caracterizados por propriedades físicas e eletrônicas exclusivas que são determinadas pela topologia subjacente de seus sistemas eletrônicos. Cientistas dos Institutos Max Planck de Física de Microestrutura (Halle) e de Física Química de Sólidos (Dresden) descobriram agora que (TaSe 4 ) 2 I é o primeiro material no qual uma onda de densidade de carga induz uma transição de fase entre o estado semimetal e o isolador.
Uma equipe internacional de cientistas do Instituto Max Planck de Física da Microestrutura, Halle (Saale), o Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos em Dresden, Universidade de Oxford, Academia Chinesa de Ciências, MIT, e a Universidade de Princeton descobriu o primeiro exemplo de um semimetal topológico conduzido por correlação para a transição de fase isolante em cristais únicos do material (TaSe 4 ) 2 I. Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente no campo de materiais topológicos que exibem propriedades eletrônicas e físicas exclusivas derivadas da topologia subjacente de seus sistemas eletrônicos. (TaSe 4 ) 2 I é um material incomum que é conhecido por sofrer uma distorção estrutural logo abaixo da temperatura ambiente, resultante de uma onda de densidade de carga.
Devido às correlações de elétrons, o gás de elétrons no sistema torna-se instável a uma variação periódica de longo alcance da densidade de carga do elétron que está intimamente ligada a uma modulação periódica das posições atômicas na estrutura cristalina. Ao mesmo tempo, este mesmo material mostrou ser um metal topológico de um tipo particular, ou seja, um semimetal Weyl. Este tipo de metal topológico possui um sistema eletrônico que exibe pontos de Weyl onde bandas eletrônicas de dispersão linear se cruzam sem formar um gap de energia. Estes pontos Weyl em (TaSe 4 ) 2 Eu venho em pares, cada um dos quais tem uma quiralidade oposta, e os autores do artigo mostram que (TaSe 4 ) 2 I tem 24 pares de tais pontos com uma chamada carga quiral enorme correspondente de +16.
No estudo publicado na revista Nature Physics, usando um conjunto de sondas experimentais sofisticadas da estrutura eletrônica e cristalina, a equipe internacional, cujos membros incluem a experimentalista Claudia Felser, Diretor do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, Holger Meyerheim, um pesquisador, e Stuart Parkin, Diretor, no Instituto Max Planck de Física da Microestrutura, Yulin Chen da Universidade de Oxford, e o teórico Andrei Bernevig da Universidade de Princeton, mostraram que as propriedades topológicas deste composto estão intimamente ligadas à onda de densidade de carga, cujo vetor de onda é derivado das conexões entre pontos de Weyl de carga quiral oposta.
"Foi muito desafiador, mas muito excitante, para identificar a onda de densidade de carga neste material. Precisávamos usar fontes de raios-X muito brilhantes disponíveis, por exemplo, na Instalação Europeia de Radiação Síncrotron, Grenoble, para encontrar as assinaturas de pico de difração muito fracas da onda de densidade de carga, "Meyerheim apontou. Conforme a amostra é resfriada, fortes correlações de elétrons conduzem o sistema para o estado de onda de densidade de carga, resultando em uma transição de um semimetal de Weyl topológico para um isolante. Ao mesmo tempo, nova física, relatado em um artigo anterior pelos mesmos grupos, aparece abaixo da transição.
"Quem teria acreditado que teríamos encontrado uma física eletrônica correlacionada tão sofisticada em tal material 1-D, "comenta Felser. Este trabalho mostra uma conexão íntima entre topologia e correlações e fornece uma avenida para observar as realizações de matéria condensada da eletrodinâmica axion - um novo tipo de acoplamento entre campos elétricos e magnéticos - em um regime que antes era inacessível. Enquanto isso é um primeiro exemplo, "nossos cálculos das estruturas eletrônicas de muitos materiais nos dão a certeza de que deve haver muitos mais sistemas onde correlações e topologia se entrelaçam", observou Bernevig e "estamos entusiasmados em procurá-los em experimentos, "acrescentou Yulin. Ao manipular o início da onda de densidade de carga, pode-se obter acesso direto à transição Topológica Weyl Semimetal-Axion Insulator." Esses materiais são um playground rico para aplicações potenciais em dispositivos eletrônicos futuros, um novo campo do que você pode chamar de "topaxtrônica!" Stuart Parkin prevê.
