Elétrons em um metal quântico topológico esperando para serem ativados por um campo magnético. Assim que eles começarem a se mover, eles seguem uma hélice em espiral para cima - em contraste com a imagem proposta anteriormente de elétrons se movendo em círculos em um plano bidimensional. Isso cria um efeito especial que é a base para fenômenos quânticos topológicos promissores. Crédito:Jörg Bandmann
Cientistas do Cluster of Excellence ct.qmat — Complexity and Topology in Quantum Matter desenvolveram uma nova compreensão de como os elétrons se comportam em campos magnéticos fortes. Seus resultados explicam medições de correntes elétricas em materiais tridimensionais que sinalizam um efeito Hall quântico - um fenômeno até agora associado apenas a metais bidimensionais. Este novo efeito 3D pode ser a base para fenômenos quânticos topológicos, que são considerados candidatos particularmente robustos e, portanto, promissores para tecnologias quânticas extremamente poderosas. Esses resultados acabam de ser publicados na revista científica. Nature Communications .
O Dr. Tobias Meng e o Dr. Johannes Gooth são pesquisadores em início de carreira no Würzburg-Dresdner Cluster of Excellence ct.qmat, que pesquisa materiais quânticos topológicos desde 2019. Eles mal podiam acreditar nas descobertas de uma publicação recente em Natureza alegando que os elétrons no pentatelureto de zircônio de metal topológico (ZrTe 5 ) se movem apenas em planos bidimensionais, apesar do fato de que o material é tridimensional. Meng e Gooth, portanto, iniciaram suas próprias pesquisas e experimentos no material ZrTe 5 . Meng da Technische Universität Dresden (TUD) desenvolveu o modelo teórico, Gooth, do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, projetou os experimentos. Sete medições com técnicas diferentes sempre levam à mesma conclusão.
Elétrons esperando sua vez
A pesquisa de Meng e Gooth pinta uma nova imagem de como o efeito Hall funciona em materiais tridimensionais. Os cientistas acreditam que os elétrons se movem através do metal ao longo de caminhos tridimensionais, mas seu transporte elétrico ainda pode parecer bidimensional. No pentatelureto de zircônio de metal topológico, isso é possível porque uma fração dos elétrons ainda está esperando para ser ativada por um campo magnético externo.
"A forma como os elétrons se movem é consistente em todas as nossas medições, e semelhante ao que é conhecido a partir dos efeitos Hall quânticos bidimensionais. Mas nossos elétrons se movem para cima em espirais, em vez de ficar confinado a um movimento circular em planos. Esta é uma diferença interessante para o efeito Hall quântico e para os cenários propostos para o que acontece no material ZrTe5, "comenta Meng sobre a gênese de seu novo modelo científico." Isso só funciona porque nem todos os elétrons se movem o tempo todo. Alguns permanecem parados, como se estivessem fazendo fila. Somente quando um campo magnético externo é aplicado, eles se tornam ativos. "
Resistividade Hall em função do campo magnético aplicado a 2 K em unidades da constante de Planck h, a carga elementar e e o vetor de onda de Fermi ao longo do campo magnético aplicado kF, z Um esboço da amostra é mostrado no canto superior esquerdo. A superfície tridimensional de Fermi dos elétrons em ZrTe5 é mostrada no canto inferior direito. Crédito:© MPI CPfS
Experimentos confirmam o modelo
Para seus experimentos, os cientistas resfriaram o material quântico topológico até -271 graus Celsius e aplicaram um campo magnético externo. Então, eles realizaram medições elétricas e termoelétricas enviando correntes através da amostra, estudou sua termodinâmica analisando as propriedades magnéticas do material, e ultrassom aplicado. Eles até usaram raios-X, Raman e espectroscopia eletrônica para examinar o funcionamento interno do material. "Mas nenhuma das nossas sete medições sugeriu que os elétrons se moviam apenas bidimensionalmente, "explica Meng, chefe do grupo Emmy Noether para Quantum Design na TUD e teórico líder no presente projeto. "Nosso modelo é de fato surpreendentemente simples, e ainda explica todos os dados experimentais perfeitamente. "
Outlook para materiais quânticos topológicos em 3D
O efeito Hall quântico ganhador do prêmio Nobel foi descoberto em 1980 e descreve a condução gradual da corrente em um metal. É a pedra angular da física topológica, um campo que experimentou um surto desde 2005 devido às suas promessas para os materiais funcionais do século XXI. A data, Contudo, o efeito Hall quântico só foi observado em metais bidimensionais. Os resultados científicos da presente publicação ampliam a compreensão de como os materiais tridimensionais se comportam em campos magnéticos. Os membros do cluster Meng e Gooth pretendem prosseguir nesta nova direção de pesquisa:"Definitivamente, queremos investigar o comportamento da fila de elétrons em metais 3D com mais detalhes, "diz Meng.
