Nova técnica permite que cientistas criem canais de elétrons livres de resistência
Imagem de microscopia de varredura por tunelamento de uma função de onda de estado de interface quiral (faixa brilhante) em um isolador Hall anômalo quântico feito de grafeno monocamada-bicamada torcido. Crédito:Canxun Zhang/Berkeley Lab Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) obteve as primeiras imagens de resolução atômica e demonstrou o controle elétrico de um estado de interface quiral – um fenômeno quântico exótico que poderia ajudar os pesquisadores a avançar na computação quântica e na eletrônica com eficiência energética.
O estado de interface quiral é um canal condutor que permite que os elétrons viajem em apenas uma direção, evitando que sejam espalhados para trás e causando resistência elétrica com desperdício de energia. Os pesquisadores estão trabalhando para compreender melhor as propriedades dos estados de interface quirais em materiais reais, mas visualizar suas características espaciais tem se mostrado excepcionalmente difícil.
Mas agora, pela primeira vez, imagens de resolução atômica capturadas por uma equipe de pesquisa do Berkeley Lab e da UC Berkeley visualizaram diretamente um estado de interface quiral. Os pesquisadores também demonstraram a criação sob demanda desses canais condutores livres de resistência em um isolador 2D.
O trabalho deles, publicado na revista Nature Physics , faz parte do esforço mais amplo do Berkeley Lab para avançar na computação quântica e outras aplicações de sistemas de informação quântica, incluindo o design e síntese de materiais quânticos para atender a necessidades tecnológicas urgentes.
"Experimentos anteriores demonstraram que existem estados de interface quirais, mas ninguém nunca os visualizou com uma resolução tão alta. Nosso trabalho mostra pela primeira vez como são esses estados 1D em escala atômica, incluindo como podemos alterá-los - e até mesmo criá-los", disse o primeiro autor Canxun Zhang, ex-aluno pesquisador da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e do Departamento de Física da UC Berkeley. Ele agora é pesquisador de pós-doutorado na UC Santa Barbara.
Estados de interface quirais podem ocorrer em certos tipos de materiais 2D conhecidos como isoladores Hall anômalos quânticos (QAH), que são isolantes em massa, mas conduzem elétrons sem resistência em "bordas" unidimensionais - os limites físicos do material e interfaces com outros materiais.
Para preparar estados de interface quirais, a equipe trabalhou na Fundição Molecular do Berkeley Lab para fabricar um dispositivo chamado grafeno monocamada-bicamada torcido, que é uma pilha de duas camadas atomicamente finas de grafeno giradas precisamente uma em relação à outra, criando uma superrede moiré que exibe o Efeito QAH.
Em experimentos subsequentes no Departamento de Física da UC Berkeley, os pesquisadores usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para detectar diferentes estados eletrônicos na amostra, permitindo-lhes visualizar a função de onda do estado da interface quiral. Outros experimentos mostraram que o estado da interface quiral pode ser movido através da amostra modulando a voltagem em um eletrodo de porta colocado abaixo das camadas de grafeno.
Numa demonstração final de controle, os pesquisadores mostraram que um pulso de tensão da ponta de uma sonda STM poderia “escrever” um estado de interface quiral na amostra, apagá-lo e até mesmo reescrever um novo estado onde os elétrons fluem na direção oposta.
As descobertas podem ajudar os pesquisadores a construir redes sintonizáveis de canais de elétrons com promessas para microeletrônica com eficiência energética e dispositivos de memória magnética de baixa potência no futuro, e para computação quântica fazendo uso de comportamentos exóticos de elétrons em isoladores QAH.
Os pesquisadores pretendem usar sua técnica para estudar física mais exótica em materiais relacionados, como anyons, um novo tipo de quasipartícula que poderia permitir um caminho para a computação quântica.
"Nossos resultados fornecem informações que não eram possíveis antes. Ainda há um longo caminho a percorrer, mas este é um bom primeiro passo", disse Zhang.
