Quando uma banda fica plana:procurando por planicidade em materiais

Uma representação artística de dispersões de bandas para um determinado material. As fitas pretas representam diferentes bandas, enquanto o eixo vertical é a energia cinética. No centro há duas faixas planas originadas da estrutura kagome única do material. Crédito:© MPI CPfS

Encontrar os ingredientes certos para criar materiais com propriedades quânticas exóticas tem sido uma quimera para os cientistas experimentais, devido às infinitas combinações possíveis de diferentes elementos a serem sintetizados.
A partir de agora, a criação de tais materiais poderá ocorrer de forma menos cega graças a uma colaboração internacional liderada por Andrei Bernevig, professor visitante Ikerbasque do Donostia International Physics Center (DIPC) e professor da Princeton University, e Nicolas Regnault, da Princeton University e a Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, com a participação de Luis Elcoro da Universidade do País Basco (UPV/EHU).

A equipe realizou uma busca sistemática de potenciais candidatos em um enorme palheiro de 55.000 materiais. O processo de eliminação começou com a identificação dos chamados materiais de banda plana, ou seja, estados eletrônicos com energia cinética constante. Portanto, em uma banda plana o comportamento dos elétrons é governado principalmente pelas interações com outros elétrons. No entanto, os pesquisadores perceberam que a planicidade não é o único requisito, porque quando os elétrons estão muito fortemente ligados aos átomos, mesmo em uma banda plana, eles não são capazes de se mover e criar estados interessantes de matéria. "Você quer que os elétrons vejam uns aos outros, algo que você pode conseguir garantindo que eles sejam estendidos no espaço. É exatamente isso que as bandas topológicas trazem para a mesa", diz Nicolas Regnault.

A topologia desempenha um papel crucial na física da matéria condensada moderna, como sugerido pelos três prêmios Nobel em 1985, 1997 e 2016. Ela impõe que algumas funções de onda quântica sejam estendidas, tornando-as insensíveis a perturbações locais, como impurezas. Pode impor algumas propriedades físicas, como uma resistência, a ser quantizada ou levar a estados de superfície perfeitamente condutores.

Felizmente, a equipe está na vanguarda da caracterização das propriedades topológicas das bandas por meio de sua abordagem conhecida como "química quântica topológica", fornecendo assim um grande banco de dados de materiais, bem como as ferramentas teóricas para procurar bandas planas topológicas.

Ao empregar ferramentas que variam de métodos analíticos a pesquisas de força bruta, a equipe encontrou todos os materiais de banda plana atualmente conhecidos na natureza. Este catálogo de materiais de banda plana está disponível online com o seu próprio motor de busca. "A comunidade agora pode procurar bandas topológicas planas em materiais. Descobrimos, de 55.000 materiais, cerca de 700 exibindo o que poderia ser bandas planas interessantes", diz Yuanfeng Xu, da Universidade de Princeton e do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura, um dos dois principais autores do estudo. "Nós nos certificamos de que os materiais que promovemos são candidatos promissores para síntese química", enfatiza Leslie Schoop, do departamento de química de Princeton. A equipe classificou ainda mais as propriedades topológicas dessas bandas, descobrindo que tipo de elétrons deslocalizados elas hospedam.

Agora que este grande catálogo está concluído, a equipe começará a cultivar os materiais previstos para descobrir experimentalmente a miríade potencial de novos estados de interação. "Agora que sabemos onde procurar, precisamos cultivar esses materiais", diz Claudia Felser, do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos. "Temos uma equipe dos sonhos de experimentalistas trabalhando conosco. Eles estão ansiosos para medir as propriedades físicas desses candidatos e ver quais fenômenos quânticos emocionantes surgirão."

O catálogo de bandas planas, publicado na Nature em 30 de março de 2022, representa o fim de anos de pesquisa da equipe. "Muitas pessoas e muitas instituições de financiamento e universidades para as quais apresentamos o projeto disseram que isso era muito difícil e nunca poderia ser feito. Demorou alguns anos, mas conseguimos", disse Andrei Bernevig.

A publicação deste catálogo não só reduzirá a serendipidade na busca de novos materiais, como permitirá grandes pesquisas de compostos com propriedades exóticas, como magnetismo e supercondutividade, com aplicações em dispositivos de memória ou no transporte de longa distância sem dissipação de potência. + Explorar mais