Cientistas do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA e colaboradores do Laboratório Nacional de Brookhaven e da Universidade do Alabama em Birmingham descobriram um novo interruptor induzido pela luz que torce a estrutura cristalina do material, ligando uma corrente de elétrons gigante que parece ser quase sem dissipação. A descoberta foi feita em uma categoria de materiais topológicos que é uma grande promessa para a spintrônica, transistores de efeito topológico, e computação quântica.

Semimetais Weyl e Dirac podem hospedar exóticos, quase sem dissipação, propriedades de condução de elétrons que tiram vantagem do estado único na estrutura cristalina e da estrutura eletrônica do material que protege os elétrons de fazê-lo. Esses canais de transporte de elétrons anômalos, protegido por simetria e topologia, normalmente não ocorrem em metais convencionais como o cobre. Depois de décadas sendo descrito apenas no contexto da física teórica, há um interesse crescente em fabricar, explorando, refino, e controlar suas propriedades eletrônicas protegidas topologicamente para aplicações de dispositivos. Por exemplo, a adoção em larga escala da computação quântica requer a construção de dispositivos nos quais os estados quânticos frágeis sejam protegidos de impurezas e ambientes ruidosos. Uma abordagem para conseguir isso é através do desenvolvimento de computação quântica topológica, em que os qubits são baseados em correntes elétricas sem dissipação "protegidas por simetria" que são imunes ao ruído.

"Torção da rede induzida pela luz, ou um interruptor fonônico, pode controlar a simetria de inversão de cristal e fotogerar corrente elétrica gigante com resistência muito pequena, "disse Jigang Wang, cientista sênior do Ames Laboratory e professor de física da Iowa State University. "Este novo princípio de controle não requer campos elétricos estáticos ou magnéticos, e tem velocidades muito mais rápidas e menor custo de energia. "

"Essa descoberta pode ser estendida a um novo princípio de computação quântica baseado na física quiral e no transporte de energia sem dissipação, que pode funcionar em velocidades muito mais rápidas, menor custo de energia e alta temperatura de operação ", disse Liang Luo, um cientista do Laboratório Ames e primeiro autor do artigo.

Wang, Luo, e seus colegas realizaram exatamente isso, usando espectroscopia de luz laser terahertz (um trilhão de ciclos por segundo) para examinar e empurrar esses materiais para revelar os mecanismos de mudança de simetria de suas propriedades.

Neste experimento, a equipe alterou a simetria da estrutura eletrônica do material, usando pulsos de laser para torcer a estrutura do cristal. Este interruptor de luz permite "pontos Weyl" no material, fazendo com que os elétrons se comportem como partículas sem massa que podem transportar o protegido, baixa corrente de dissipação que é procurada.

"Conseguimos essa corrente gigante sem dissipação conduzindo movimentos periódicos de átomos em torno de sua posição de equilíbrio para quebrar a simetria de inversão de cristal, "diz Ilias Perakis, professor de física e catedrático da Universidade do Alabama em Birmingham. "Este princípio de controle de topologia e transporte semimetal de Weyl induzido por luz parece ser universal e será muito útil no desenvolvimento de computação quântica e eletrônica futura com alta velocidade e baixo consumo de energia."

"O que nos faltou até agora é um interruptor rápido e de baixa energia para induzir e controlar a simetria desses materiais, "disse Qiang Li, Líder do Grupo de Materiais de Energia Avançada do Laboratório Nacional de Brookhaven. "Nossa descoberta de um interruptor de simetria de luz abre uma oportunidade fascinante para transportar corrente de elétrons sem dissipação, um estado topologicamente protegido que não enfraquece nem diminui a velocidade ao se deparar com imperfeições e impurezas do material. "

A pesquisa é discutida mais detalhadamente no artigo "Um interruptor de simetria fonônica induzida por luz e fotocorrente topológica sem dissipação gigante em ZrTe5, " publicado em Materiais da Natureza .