Os elétrons em um sólido ocupam bandas de energia distintas separadas por lacunas. Gaps de banda de energia são eletrônicos "terra de ninguém, "uma faixa de energia onde não são permitidos elétrons. Agora, cientistas estudando um composto contendo ferro, telúrio, e o selênio descobriram que uma lacuna de banda de energia se abre em um ponto onde duas bandas de energia permitidas se cruzam na superfície do material. Eles observaram esse comportamento eletrônico inesperado ao resfriar o material e sondar sua estrutura eletrônica com luz laser. Suas descobertas, relatado no Anais da Academia Nacional de Ciências , poderia ter implicações para a futura ciência da informação quântica e eletrônica.

O composto específico pertence à família dos supercondutores de alta temperatura à base de ferro, que foram descobertos inicialmente em 2008. Esses materiais não apenas conduzem eletricidade sem resistência em temperaturas relativamente mais altas (mas ainda muito frias) do que outras classes de supercondutores, mas também apresentam propriedades magnéticas.

"Por um tempo, as pessoas pensaram que a supercondutividade e o magnetismo trabalhariam um contra o outro, "disse o primeiro autor Nader Zaki, um associado científico no Grupo de Espectroscopia de Elétrons da Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais (CMPMS) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Exploramos um material em que ambos se desenvolvem ao mesmo tempo."

Além da supercondutividade e magnetismo, alguns supercondutores baseados em ferro têm as condições certas para hospedar estados de superfície "topológicos". A existência desses estados eletrônicos únicos, localizados na superfície (eles não existem na maior parte do material), reflete fortes interações entre o spin de um elétron e seu movimento orbital ao redor do núcleo de um átomo.

"Quando você tem um supercondutor com propriedades de superfície topológica, você está animado com a possibilidade de supercondutividade topológica, "disse o autor correspondente Peter Johnson, líder do Grupo de Espectroscopia Eletrônica. "A supercondutividade topológica é potencialmente capaz de suportar férmions de Majorana, que podem servir como qubits, os blocos de construção de armazenamento de informações dos computadores quânticos. "

Os computadores quânticos prometem acelerações tremendas para cálculos que levariam uma quantidade de tempo impraticável ou seriam impossíveis em computadores tradicionais. Um dos desafios para realizar a computação quântica prática é que os qubits são altamente sensíveis ao seu ambiente. Pequenas interações fazem com que eles percam seu estado quântico e, portanto, as informações armazenadas sejam perdidas. A teoria prevê que os férmions de Majorana (quasipartículas procuradas) existentes em estados supercondutores topológicos supercondutores são imunes a distúrbios ambientais, tornando-os uma plataforma ideal para qubits robustos.

Vendo os supercondutores à base de ferro como uma plataforma para uma série de fenômenos exóticos e potencialmente importantes, Zaki, Johnson, e seus colegas decidiram entender as funções da topologia, supercondutividade e magnetismo.

O físico sênior da Divisão CMPMS, Genda Gu, primeiro cultivou cristais únicos de alta qualidade do composto à base de ferro. Então, Zaki mapeou a estrutura de banda eletrônica do material por meio de espectroscopia de fotoemissão baseada em laser. Quando a luz de um laser é focada em um pequeno ponto do material, elétrons da superfície são "expulsos" (isto é, fotoemitida). A energia e o momento desses elétrons podem então ser medidos.

Quando eles baixaram a temperatura, algo surpreendente aconteceu.

"O material ficou supercondutor, como esperávamos, e vimos uma lacuna supercondutora associada a isso, "disse Zaki." Mas o que não esperávamos era o estado da superfície topológica abrindo uma segunda lacuna no ponto de Dirac. Você pode imaginar a estrutura da faixa de energia desse estado de superfície como uma ampulheta ou dois cones presos em seu ápice. O local onde esses cones se cruzam é ​​chamado de ponto de Dirac. "

Como Johnson e Zaki explicaram, quando uma lacuna se abre no ponto de Dirac, é uma evidência de que a simetria da reversão do tempo foi quebrada. Simetria de reversão de tempo significa que as leis da física são as mesmas, quer você olhe para um sistema indo para frente ou para trás no tempo - semelhante a retroceder um vídeo e ver a mesma sequência de eventos sendo reproduzida ao contrário. Mas sob a reversão do tempo, os spins dos elétrons mudam sua direção e quebram essa simetria. Assim, uma das maneiras de quebrar a simetria de reversão do tempo é desenvolver magnetismo - especificamente, ferromagnetismo, um tipo de magnetismo em que todos os spins do elétron se alinham paralelamente.

"O sistema está entrando no estado supercondutor e, aparentemente, o magnetismo está se desenvolvendo, "disse Johnson." Temos que assumir que o magnetismo está na região da superfície porque nesta forma ele não pode coexistir na massa. Esta descoberta é empolgante porque o material tem muitas físicas diferentes:supercondutividade, topologia, e agora magnetismo. Eu gosto de dizer que é um balcão único. Compreender como esses fenômenos surgem no material pode fornecer uma base para muitas direções tecnológicas novas e emocionantes. "

Como observado anteriormente, a supercondutividade do material e os fortes efeitos spin-órbita podem ser aproveitados para tecnologias de informação quântica. Alternativamente, o magnetismo do material e as fortes interações spin-órbita podem permitir o transporte sem dissipação (sem perda de energia) de corrente elétrica na eletrônica. Essa capacidade pode ser aproveitada para desenvolver dispositivos eletrônicos que consomem pouca energia.

Co-autores Alexei Tsvelik, cientista sênior e líder de grupo do Grupo de Teoria da Matéria Condensada da Divisão CMPMS, e Congjun Wu, professor de física da Universidade da Califórnia, San Diego, forneceu insights teóricos sobre como a simetria de reversão do tempo é quebrada e o magnetismo se origina na região da superfície.

"Esta descoberta não apenas revela conexões profundas entre estados supercondutores topológicos e magnetização espontânea, mas também fornece importantes insights sobre a natureza das funções de lacuna supercondutora em supercondutores à base de ferro - um problema notável na investigação de supercondutores não convencionais fortemente correlacionados, "disse Wu.

Em um estudo separado com outros colaboradores da Divisão CMPMS, a equipe experimental está examinando como diferentes concentrações dos três elementos na amostra contribuem para os fenômenos observados. Aparentemente, telúrio é necessário para os efeitos topológicos, muito ferro mata a supercondutividade, e o selênio aumenta a supercondutividade.

Em experimentos subsequentes, a equipe espera verificar a quebra da simetria da reversão do tempo com outros métodos e explorar como a substituição de elementos no composto modifica seu comportamento eletrônico.

"Como cientistas de materiais, gostamos de alterar os ingredientes da mistura para ver o que acontece, "disse Johnson." O objetivo é descobrir como a supercondutividade, topologia, e o magnetismo interagem nesses materiais complexos. "