Físicos descobrem um novo estado quântico em um sólido elementar
Uma representação da visualização de dados de estados quânticos de elétrons na superfície e na borda do cristal de arsênico cinza obtido usando um microscópio de tunelamento de varredura no departamento de física de Princeton. Crédito:Imagem baseada em simulações de dados STM preparadas por Shafayat Hossain e o grupo Zahid Hasan no Laboratório de Matéria Quântica Topológica da Universidade de Princeton. Os físicos observaram um novo efeito quântico denominado "topologia híbrida" em um material cristalino. Esta descoberta abre uma nova gama de possibilidades para o desenvolvimento de materiais e tecnologias eficientes para a ciência e engenharia quântica de próxima geração.
A descoberta, publicada na Nature , surgiu quando os cientistas de Princeton descobriram que um cristal sólido elementar feito de átomos de arsênico (As) hospeda uma forma nunca antes observada de comportamento quântico topológico. Eles foram capazes de explorar e criar imagens deste novo estado quântico usando um microscópio de varredura por tunelamento (STM) e espectroscopia de fotoemissão, esta última uma técnica usada para determinar a energia relativa dos elétrons em moléculas e átomos.
Este estado combina, ou "hibridiza", duas formas de comportamento quântico topológico - estados de borda e estados de superfície, que são dois tipos de sistemas eletrônicos bidimensionais quânticos. Estes foram observados em experiências anteriores, mas nunca simultaneamente no mesmo material onde se misturam para formar um novo estado da matéria.
“Esta descoberta foi completamente inesperada”, disse M. Zahid Hasan, professor de física Eugene Higgins na Universidade de Princeton, que liderou a pesquisa. "Ninguém previu isso em teoria antes de sua observação."
Nos últimos anos, o estudo dos estados topológicos da matéria tem atraído considerável atenção entre físicos e engenheiros e é atualmente o foco de muito interesse e pesquisa internacional. Esta área de estudo combina física quântica com topologia – um ramo da matemática teórica que explora propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não intrinsecamente alteradas.
Por mais de uma década, os cientistas usaram isoladores topológicos baseados em bismuto (Bi) para demonstrar e explorar efeitos quânticos exóticos em sólidos a granel, principalmente pela fabricação de materiais compostos, como a mistura de Bi com selênio (Se), por exemplo. No entanto, este experimento é a primeira vez que efeitos topológicos foram descobertos em cristais feitos do elemento As.
“A busca e descoberta de novas propriedades topológicas da matéria emergiram como um dos tesouros mais procurados da física moderna, tanto do ponto de vista da física fundamental quanto para encontrar aplicações potenciais na ciência e engenharia quântica da próxima geração”, disse Hasan. "A descoberta deste novo estado topológico feito em um sólido elementar foi possibilitada por vários avanços experimentais inovadores e instrumentações em nosso laboratório em Princeton."
Um sólido elementar serve como uma plataforma experimental inestimável para testar vários conceitos de topologia. Até agora, o bismuto tem sido o único elemento que abriga uma rica tapeçaria de topologia, levando a duas décadas de intensas atividades de pesquisa. Isto é parcialmente atribuído à limpeza do material e à facilidade de síntese. No entanto, a atual descoberta de fenómenos topológicos ainda mais ricos no arsénico irá potencialmente abrir caminho para novas e sustentadas direções de investigação.
"Pela primeira vez, demonstramos que, semelhantes a diferentes fenômenos correlacionados, ordens topológicas distintas também podem interagir e dar origem a fenômenos quânticos novos e intrigantes", disse Hasan.
Um material topológico é o principal componente usado para investigar os mistérios da topologia quântica. Este dispositivo atua como um isolante em seu interior, o que significa que os elétrons em seu interior não têm liberdade de movimentação e, portanto, não conduzem eletricidade.
No entanto, os elétrons nas bordas do dispositivo podem se movimentar livremente, o que significa que são condutores. Além disso, devido às propriedades especiais da topologia, os elétrons que fluem ao longo das bordas não são prejudicados por quaisquer defeitos ou deformações. Este tipo de dispositivo tem o potencial não apenas de melhorar a tecnologia, mas também de gerar uma maior compreensão da própria matéria, investigando propriedades eletrônicas quânticas.
Hasan observou que há muito interesse no uso de materiais topológicos para aplicações práticas. Mas dois avanços importantes precisam acontecer antes que isso possa ser concretizado. Primeiro, os efeitos topológicos quânticos devem se manifestar em temperaturas mais altas. Em segundo lugar, é necessário encontrar sistemas de materiais simples e elementares (como o silício para a eletrônica convencional) que possam hospedar fenômenos topológicos.
"Em nossos laboratórios, temos esforços em ambas as direções - estamos procurando sistemas de materiais mais simples e com facilidade de fabricação, onde possam ser encontrados efeitos topológicos essenciais", disse Hasan. "Também estamos pesquisando como esses efeitos podem sobreviver à temperatura ambiente."
Antecedentes do experimento
As raízes da descoberta estão no funcionamento do efeito Hall quântico - uma forma de efeito topológico que foi objeto do Prêmio Nobel de Física em 1985. Desde então, as fases topológicas foram estudadas e muitas novas classes de materiais quânticos com topologia. estruturas eletrônicas foram encontradas. Mais notavelmente, Daniel Tsui, professor emérito de engenharia elétrica Arthur Legrand Doty em Princeton, ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1998 pela descoberta do efeito Hall quântico fracionário.
Da mesma forma, F. Duncan Haldane, professor de física Eugene Higgins em Princeton, ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2016 por descobertas teóricas de transições de fase topológicas e um tipo de isolante topológico bidimensional (2D). Desenvolvimentos teóricos subsequentes mostraram que os isoladores topológicos podem assumir a forma de duas cópias do modelo de Haldane baseado na interação spin-órbita do elétron.
Hasan e sua equipe de pesquisa têm seguido os passos desses pesquisadores, investigando outros aspectos dos isolantes topológicos e procurando novos estados da matéria. Isto os levou, em 2007, à descoberta dos primeiros exemplos de isoladores topológicos tridimensionais (3D). Desde então, Hasan e sua equipe estão há uma década em busca de um novo estado topológico em sua forma mais simples, que também possa operar em temperatura ambiente.
"Uma química atômica adequada e um projeto de estrutura acoplado à teoria dos primeiros princípios é o passo crucial para tornar realista a previsão especulativa do isolador topológico em um ambiente de alta temperatura", disse Hasan.
"Existem centenas de materiais quânticos, e precisamos de intuição, experiência, cálculos específicos de materiais e intensos esforços experimentais para encontrar o material certo para uma exploração aprofundada, eventualmente. E isso nos levou a uma jornada de uma década de investigação de muitos materiais quânticos. materiais baseados em materiais, levando a muitas descobertas fundamentais."
A experiência
Os materiais à base de bismuto são capazes, pelo menos em princípio, de hospedar um estado topológico da matéria em altas temperaturas. No entanto, estes requerem preparação de materiais complexos sob condições de vácuo ultra-alto, por isso os investigadores decidiram explorar vários outros sistemas. O pesquisador de pós-doutorado Md. Shafayat Hossain sugeriu um cristal feito de arsênico porque pode ser cultivado em uma forma mais limpa do que muitos compostos de bismuto.
Quando Hossain e Yuxiao Jiang, um estudante de pós-graduação do grupo Hasan, transformaram o STM na amostra de arsênico, foram recebidos com uma observação dramática:o arsênico cinza, uma forma de arsênico com aparência metálica, abriga estados topológicos de superfície e estados de borda simultaneamente.
"Ficamos surpresos. O arsênico cinza deveria ter apenas estados de superfície. Mas quando examinamos as bordas dos degraus atômicos, também encontramos belos modos de borda condutora", disse Hossain.
"Uma borda escalonada de monocamada isolada não deve ter um modo de borda sem intervalos", acrescentou Jiang, co-autor do estudo.
É o que se vê nos cálculos de Frank Schindler, pós-doutorado e teórico da matéria condensada no Imperial College London, no Reino Unido, e Rajibul Islam, pesquisador de pós-doutorado na Universidade do Alabama, em Birmingham, Alabama. Ambos são co-autores do artigo.
"Uma vez que uma borda é colocada no topo da amostra a granel, os estados da superfície hibridizam com os estados com lacunas na borda e formam um estado sem lacunas", disse Schindler.
“Esta é a primeira vez que vemos tal hibridização”, acrescentou.
Fisicamente, tal estado sem lacunas na borda do degrau não é esperado para isoladores topológicos fortes ou de ordem superior separadamente, mas apenas para materiais híbridos onde ambos os tipos de topologia quântica estão presentes. Este estado sem intervalos também é diferente dos estados de superfície ou de dobradiça em isoladores topológicos fortes e de ordem superior, respectivamente. Isso significa que a observação experimental da equipe de Princeton indicou imediatamente um tipo de estado topológico nunca antes observado.
David Hsieh, presidente da Divisão de Física da Caltech e pesquisador que não esteve envolvido no estudo, apontou as conclusões inovadoras do estudo.
"Normalmente, consideramos que a estrutura da banda de um material se enquadra em uma das várias classes topológicas distintas, cada uma ligada a um tipo específico de estado limite", disse Hsieh. "Este trabalho mostra que certos materiais podem cair simultaneamente em duas classes. O mais interessante é que os estados limites emergentes destas duas topologias podem interagir e reconstruir num novo estado quântico que é mais do que apenas uma superposição das suas partes."
Os pesquisadores fundamentaram ainda mais as medições de microscopia de varredura por tunelamento com espectroscopia sistemática de fotoemissão com resolução de ângulo de alta resolução.
"A amostra As cinza é muito limpa e encontramos assinaturas claras de um estado de superfície topológica", disse Zi-Jia Cheng, estudante de graduação do grupo Hasan e coautor do artigo que realizou algumas das medições de fotoemissão. .
A combinação de múltiplas técnicas experimentais permitiu aos pesquisadores sondar a correspondência única entre superfície e borda associada ao estado topológico híbrido - e corroborar as descobertas experimentais.
Implicações das descobertas
O impacto desta descoberta é duplo. A observação do modo de borda topológico combinado e do estado da superfície abre caminho para a engenharia de novos canais topológicos de transporte de elétrons. Isso pode permitir o projeto de novos dispositivos de ciência da informação quântica ou de computação quântica.
Os pesquisadores de Princeton demonstraram que os modos de borda topológicos estão presentes apenas ao longo de configurações geométricas específicas que são compatíveis com as simetrias do cristal, iluminando um caminho para projetar várias formas de futuros nanodispositivos e eletrônicos baseados em spin.
De uma perspectiva mais ampla, a sociedade se beneficia quando novos materiais e propriedades são descobertos, disse Hasan. Nos materiais quânticos, a identificação de sólidos elementares como plataformas de materiais, como o antimônio que hospeda uma topologia forte ou o bismuto que hospeda uma topologia de ordem superior, levou ao desenvolvimento de novos materiais que beneficiaram imensamente o campo dos materiais topológicos.
“Prevemos que o arsénico, com a sua topologia única, pode servir como uma nova plataforma a um nível semelhante para o desenvolvimento de novos materiais topológicos e dispositivos quânticos que não são actualmente acessíveis através das plataformas existentes”, disse Hasan.
O grupo de Princeton projeta e constrói novos experimentos para a exploração de materiais isolantes topológicos há mais de 15 anos. Entre 2005 e 2007, por exemplo, a equipe liderada por Hasan descobriu a ordem topológica em um sólido tridimensional de bismuto-antimônio, uma liga semicondutora e materiais topológicos de Dirac relacionados usando novos métodos experimentais.
Isso levou à descoberta de materiais magnéticos topológicos. Entre 2014 e 2015, eles descobriram e desenvolveram uma nova classe de materiais topológicos chamados semimetais magnéticos de Weyl.
Os pesquisadores acreditam que esta descoberta abrirá as portas para uma série de futuras possibilidades de pesquisa e aplicações em tecnologias quânticas, especialmente nas chamadas tecnologias “verdes”.
“Nossa pesquisa é um passo adiante na demonstração do potencial dos materiais topológicos para a eletrônica quântica com aplicações de economia de energia”, disse Hasan.
