O que será necessário para tornar nossos eletrônicos mais inteligentes, rápidos e resilientes? Uma ideia é construí-los a partir de materiais que são topológicos.
A topologia deriva de um ramo da matemática que estuda formas que podem ser manipuladas ou deformadas sem perder certas propriedades centrais. Um donut é um exemplo comum:se fosse feito de borracha, um donut poderia ser torcido e espremido em uma forma completamente nova, como uma caneca de café, mantendo uma característica fundamental - ou seja, seu orifício central, que assume a forma de a alça do copo. O furo, neste caso, é um traço topológico, robusto contra certas deformações.

Nos últimos anos, os cientistas aplicaram conceitos de topologia à descoberta de materiais com propriedades eletrônicas igualmente robustas. Em 2007, os pesquisadores previram os primeiros isolantes topológicos eletrônicos - materiais nos quais os elétrons se comportam de maneiras "topologicamente protegidas" ou persistentes diante de certas interrupções.

Desde então, os cientistas têm procurado mais materiais topológicos com o objetivo de construir dispositivos eletrônicos melhores e mais robustos. Até recentemente, apenas um punhado desses materiais foi identificado e, portanto, considerado uma raridade.

Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares descobriram que, de fato, os materiais topológicos estão por toda parte, se você souber como procurá-los.

Em um artigo publicado na Science , a equipe, liderada por Nicolas Regnault da Universidade de Princeton e da École Normale Supérieure Paris, relata aproveitar o poder de vários supercomputadores para mapear a estrutura eletrônica de mais de 96.000 materiais cristalinos naturais e sintéticos. Eles aplicaram filtros sofisticados para determinar se e que tipo de traços topológicos existem em cada estrutura.

No geral, eles descobriram que 90% de todas as estruturas cristalinas conhecidas contêm pelo menos uma propriedade topológica, e mais de 50% de todos os materiais naturais exibem algum tipo de comportamento topológico.

“Descobrimos que há uma onipresença – a topologia está em toda parte”, diz Benjamin Wieder, co-líder do estudo e pós-doc no Departamento de Física do MIT.

A equipe compilou os materiais recém-identificados em um novo banco de dados de materiais topológicos de acesso livre, semelhante a uma tabela periódica de topologia. Com esta nova biblioteca, os cientistas podem pesquisar rapidamente materiais de interesse para quaisquer propriedades topológicas que possam conter e aproveitá-los para construir transistores de potência ultrabaixa, novo armazenamento de memória magnética e outros dispositivos com propriedades eletrônicas robustas.

O artigo inclui o co-autor principal Maia Vergniory do Vergniory do Donostia International Physics Center, Luis Elcoro da Universidade do País Basco, Stuart Parkin e Claudia Felser do Instituto Max Planck e Andrei Bernevig da Universidade de Princeton.

Além da intuição

O novo estudo foi motivado pelo desejo de acelerar a busca tradicional de materiais topológicos.

"A forma como os materiais originais foram encontrados foi através da intuição química", diz Wieder. "Essa abordagem teve muitos sucessos iniciais. Mas como teoricamente previmos mais tipos de fases topológicas, parecia que a intuição não estava nos levando muito longe."

Wieder e seus colegas utilizaram um método eficiente e sistemático para erradicar sinais de topologia, ou comportamento eletrônico robusto, em todas as estruturas cristalinas conhecidas, também conhecidas como materiais inorgânicos de estado sólido.

Para seu estudo, os pesquisadores olharam para o Inorganic Crystal Structure Database, ou ICSD, um repositório no qual os pesquisadores inserem as estruturas atômicas e químicas de materiais cristalinos que eles estudaram. O banco de dados inclui materiais encontrados na natureza, bem como aqueles que foram sintetizados e manipulados em laboratório. O ICSD é atualmente o maior banco de dados de materiais do mundo, contendo mais de 193.000 cristais cujas estruturas foram mapeadas e caracterizadas.

A equipe baixou todo o ICSD e, depois de realizar uma limpeza de dados para eliminar estruturas com arquivos corrompidos ou dados incompletos, os pesquisadores ficaram com pouco mais de 96.000 estruturas processáveis. Para cada uma dessas estruturas, eles realizaram um conjunto de cálculos baseados no conhecimento fundamental da relação entre os constituintes químicos, para produzir um mapa da estrutura eletrônica do material, também conhecida como estrutura de banda de elétrons.

A equipe foi capaz de realizar cálculos complicados de forma eficiente para cada estrutura usando vários supercomputadores, que então empregaram para realizar um segundo conjunto de operações, desta vez para rastrear várias fases topológicas conhecidas ou comportamento elétrico persistente em cada material cristalino.

"Estamos procurando assinaturas na estrutura eletrônica em que certos fenômenos robustos devem ocorrer neste material", explica Wieder, cujo trabalho anterior envolveu refinar e expandir a técnica de triagem, conhecida como química quântica topológica.

A partir de sua análise de alto rendimento, a equipe descobriu rapidamente um número surpreendentemente grande de materiais que são naturalmente topológicos, sem qualquer manipulação experimental, bem como materiais que podem ser manipulados, por exemplo, com dopagem de luz ou química, para exibir algum tipo de comportamento eletrônico. Eles também descobriram um punhado de materiais que continham mais de um estado topológico quando expostos a certas condições.

"Fases topológicas da matéria em materiais de estado sólido 3D foram propostas como locais para observar e manipular efeitos exóticos, incluindo a interconversão de corrente elétrica e spin de elétrons, a simulação de mesa de teorias exóticas da física de alta energia e até mesmo, sob o condições certas, o armazenamento e manipulação de informações quânticas", observa Wieder.

Para os experimentalistas que estão estudando esses efeitos, Wieder diz que o novo banco de dados da equipe agora revela uma variedade de novos materiais para explorar. + Explorar mais

Progresso e perspectivas em materiais topológicos magnéticos