Um estudo teórico da FLEET lançado esta semana encontrou uma 'prova fumegante' na longa busca pelo monopolo magnético topológico conhecido como curvatura de Berry.

Esta descoberta é um avanço na busca por efeitos topológicos em sistemas fora de equilíbrio.

O grupo, liderado por Dimi Culcer na UNSW, identificou um efeito Hall não convencional impulsionado por um campo magnético no plano em sistemas de orifícios semicondutores, que é rastreada exclusivamente para a curvatura Berry.

(Por outro lado, o efeito Hall comum e o efeito Hall anômalo requerem um campo magnético / magnetização que é perpendicular à superfície.)

Os efeitos topológicos aprimorados permitiriam a eletrônica topológica de baixa energia viável para grande escala, operação em temperatura ambiente, e foram incluídos recentemente no roteiro do IEEE para a eletrônica do futuro.

Isolando a resposta, um momento de descoberta

"Isolar respostas topológicas em 'condutores regulares' tem sido uma tarefa historicamente difícil, "diz o líder da equipe de pesquisa A / Prof Dimi Culcer (UNSW)." Mesmo que essas respostas topológicas sejam consideradas onipresentes em sólidos. "

Respostas quantizadas, como os efeitos Hall quântico e spin-Hall quântico fornecem uma impressão digital clara da topologia, no entanto, eles só foram observados em sistemas unidimensionais (1D) e estão intimamente relacionados com a existência de estados de borda.

Em condutores `regulares ', significando sistemas 2D e 3D, existe muita literatura teórica prevendo contribuições topológicas para, e. o efeito Hall anômalo, mas estes nunca foram observados inequivocamente em uma medição de transporte.

Existem duas razões principais para isso:(i) elétrons de spin-up e spin-down geralmente fazem contribuições opostas, e estes quase se cancelam; (ii) tudo o que resta é dominado pela desordem.

O novo artigo FLEET corrige essa lacuna de longa data, identificando um sistema bidimensional em que a curvatura de Berry, e apenas a curvatura Berry, é responsável pelo sinal Hall linear no campo magnético no plano aplicado.

"Notavelmente, todas as contribuições para a desordem desaparecem:não temos conhecimento de nenhum outro sistema multidimensional em que isso seja verdade, "diz o autor principal, UNSW Ph.D. estudante James Cullen. "Sua medição experimental está acessível a qualquer laboratório de última geração em todo o mundo, portanto, esperamos grande interesse dos experimentalistas. "

Curvatura da baga, o efeito Hall anômalo e materiais topológicos

A equipe de pesquisa buscou o traço matemático revelador chamado "curvatura de Berry, "que pode ser entendido se pensarmos no conceito de transporte paralelo que aparece rotineiramente na geometria e na relatividade geral.

"Pense em um vetor como uma seta que colocamos em algum lugar na superfície de um objeto sólido, "explica Dimi." Agora movemos a flecha, certificando-se de que sempre aponta no mesmo ângulo para a superfície - isso é na verdade como um ser humano caminhando ao longo da superfície da Terra. Eventualmente, trazemos a flecha de volta ao ponto inicial após ela ter circulado, e descobrimos isso, em geral, ele aponta em uma direção diferente - ele girou magicamente em algum ângulo. O tamanho deste ângulo é determinado pela curvatura da superfície. "

Na mecânica quântica, em vez de vetores, temos funções de onda, mas podemos descrever a dinâmica usando a mesma imagem, e a curvatura é chamada de curvatura Berry.

O ângulo de rotação é substituído pela famosa fase Berry, nomeado após o físico matemático Prof Sir Michael Berry, que formulou o problema na década de 1980. Mais tarde, com base no trabalho do Prêmio Nobel David Thouless, Qian Niu da UT Austin mostrou que a curvatura de Berry se comporta como o cobiçado monopolo magnético, mas não no espaço real, em vez de espaço de impulso, que é o espaço em que a maioria dos físicos de matéria condensada pensa.

A curvatura de Berry conduz efeitos topológicos em sistemas fora de equilíbrio porque quando um campo elétrico é aplicado, um elétron é acelerado, então seu momentum muda. Quando isso acontece, sua função de onda muda lentamente, da mesma forma que a 'seta' é girada em transporte paralelo, e como resultado dessa rotação gradual, uma corrente transversal (Hall) é gerada. As relações Onsager, que são fundamentais para a física de não equilíbrio, dizem que a corrente Hall não dissipa energia. O caso extremo é o efeito Hall anômalo quântico (QAHE), uma chave de efeito quântico para a função de materiais topológicos, em que as correntes de borda podem fluir com resistência elétrica efetivamente zero.

('Quantum' descreve a transição de 'etapa' na resistência transversal (Hall) - ou seja, varia em etapas discretas, em vez de suavemente - enquanto "anômalo" se refere à ocorrência do fenômeno na ausência de qualquer campo magnético aplicado.)

Os pesquisadores buscam aprimorar o QAHE para proteger o comportamento topológico em temperaturas mais altas, permitindo a eletrônica topológica que seria viável para operação em temperatura ambiente.

"A redução significativa na resistência elétrica permitida pelo QAHE de temperatura ambiente nos permitiria reduzir significativamente o consumo de energia em dispositivos eletrônicos, "diz Dimi.