Os materiais quânticos topológicos são aclamados como a pedra angular dos futuros avanços tecnológicos. No entanto, validar as suas qualidades excepcionais sempre foi um processo demorado.



Pesquisadores do Cluster of Excellence ct.qmat desenvolveram agora uma técnica experimental que identifica sistematicamente materiais topológicos bidimensionais por meio de um teste rápido. Esta descoberta poderia ajudar a acelerar o progresso desta classe de materiais em expansão.

Suas descobertas foram publicadas na revista Physical Review Letters .

Em 2007, o professor Laurens W. Molenkamp, ​​membro fundador do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat - Complexidade e Topologia na Matéria Quântica - forneceu a primeira prova experimental de isoladores topológicos, uma nova classe de materiais. Esses materiais se destacam porque embora seu interior se comporte como um isolante elétrico, conduzem elétrons em sua superfície sem qualquer resistência.

Desde essa descoberta inovadora, o interesse global por estes materiais aumentou. Isto é impulsionado pelo seu papel crítico numa potencial revolução dos materiais e pelas suas aplicações promissoras em tecnologias quânticas, como o desenvolvimento de “chips frios” que são poderosos, energeticamente eficientes e não geram calor residual.

"Atualmente, a detecção experimental de isoladores topológicos envolve pesquisas altamente complexas. Requer uma grande equipe e uma quantidade substancial de tempo para preparar uma amostra do material. Além disso, a detecção bem-sucedida nunca é garantida, "observa o porta-voz do ct.qmat em Würzburg, Professor Ralph Claessen.

Teste rápido para a revolução dos materiais

Mas agora, uma equipe de pesquisa do ct.qmat em Würzburg desenvolveu um método sistemático para identificar materiais quânticos topológicos bidimensionais em tempo recorde, usando uma técnica de medição muito mais simples. “Essencialmente, além de uma amostra de material promissora, tudo o que você realmente precisa são raios X especiais”, explica o Dr. Simon Moser, líder do projeto da JMU Würzburg.

"As partículas de luz necessárias devem ser de alta frequência e polarizadas circularmente, o que significa que possuem momento angular. Isso pode ser alcançado usando qualquer fonte de luz síncrotron.

"Por exemplo, nossas amostras foram irradiadas no Elettra Sincrotrone em Trieste e na Diamond Light Source, a instalação nacional de ciência síncrotron do Reino Unido no Harwell Science and Innovation Campus em Oxfordshire."

O que parece simples é na verdade um avanço significativo na pesquisa de materiais quânticos topológicos. "Se você garantir um slot em um síncrotron, poderá determinar em cerca de uma semana se um material é um isolante topológico. Com o método tradicional, isso requer pelo menos uma tese de doutorado", observa Moser.

Girando o sucesso com fotoemissão dicróica

A essência do novo método de teste rápido reside na fotoemissão dicróica. A amostra de material é exposta várias vezes à luz de alta frequência com polarização variável. Inicialmente, apenas elétrons que giram no sentido horário, por exemplo, são liberados do material. Posteriormente, apenas os elétrons que giram no sentido anti-horário são liberados.

Detectar as diferentes direções de rotação dos elétrons usando fotoemissão dicróica e, assim, descobrir sua topologia não é uma ideia nova. Em 2023, outra equipe ct.qmat de Würzburg usou este método para analisar pela primeira vez a topologia de um metal kagome.

“Eles usaram fotoemissão circular para investigar o metal kagome. Focamos na metodologia e desenvolvemos uma espécie de receita que agora sempre funciona, não por acaso”, diz Moser, explicando a nova abordagem de sua equipe. "Nosso teste rápido torna sistematicamente visível a topologia dos elétrons."

Como os pesquisadores têm um histórico de longa data na investigação do material quântico bidimensional indeneno, eles também usaram esse material para desenvolver o método de teste rápido. Além disso, já estão aplicando o princípio a outros materiais. Um experimento recente envolveu a irradiação de uma amostra de bismutono, e os dados serão analisados ​​em breve.