Pesquisadores descobrem fases topológicas duplas em um cristal intrínseco de monocamada

Condução de borda QSH no CNP em monocamada TaIrTe₄ . Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07211-8

Fases topológicas duplas foram descobertas em um cristal intrínseco de monocamada, uma descoberta que revela propriedades novas e únicas de quebra de regras em um material quântico, informou recentemente uma equipe internacional de cientistas liderada por físicos do Boston College na versão online da revista Natureza .

A descoberta de um isolador topológico duplo introduz um novo método para criar minibandas planas topológicas através de interações de elétrons, que oferecem uma plataforma promissora para explorar fases quânticas exóticas e eletromagnetismo, relatou a equipe.

"Produzimos experimentalmente amostras de alta qualidade e atomicamente finas de TaIrTe₄ e desenvolveu dispositivos eletrônicos correspondentes", disse Qiong Ma, professor assistente de física do Boston College, principal autor do relatório. "O que é particularmente intrigante é a nossa descoberta de não apenas um, mas de dois estados isolantes topológicos, além das previsões da teoria."

As descobertas introduzem um novo efeito que a equipe chama de isolante topológico duplo ou isolador Hall de spin quântico duplo, disse Ma.

Camadas bidimensionais excepcionalmente finas de um material cristalino chamado TaIrTe₄ , criados a partir de tântalo, irídio e telúrio, foram o foco da equipe de cientistas do BC, MIT, Universidade de Harvard, UCLA, Texas A&M, Universidade do Tennessee, Universidade Tecnológica de Nanyang de Cingapura, Academia Chinesa de Ciências e Instituto Nacional do Japão. Instituto de Ciência dos Materiais.

Cada camada tem menos de 1 nanômetro de espessura – 100.000 vezes mais fina que um fio de cabelo humano. Essas camadas, ou “flocos”, foram cuidadosamente removidas de um cristal maior usando um método simples que envolve fita adesiva transparente, uma técnica homenageada com o Prêmio Nobel e amplamente utilizada na ciência dos materiais.

“Nossa investigação teve como objetivo entender como esses materiais conduzem eletricidade”, disse Ma. "Dado o tamanho minúsculo desses materiais, empregamos técnicas avançadas de nanofabricação, incluindo fotolitografia e litografia por feixe de elétrons, para estabelecer contatos elétricos de tamanho nanométrico."

Ma disse que o objetivo principal do projeto era testar a previsão teórica que sugere o TaIrTe mais fino₄ A camada atua como um isolante topológico bidimensional - também conhecido como isolante Hall de spin quântico - um novo material onde seu interior é isolante e a eletricidade flui ao longo de seus limites sem qualquer perda de energia. Esta combinação única torna estes materiais um foco de pesquisadores que tentam desenvolver gerações futuras de dispositivos eletrônicos com eficiência energética.

Através da manipulação de parâmetros específicos – chamados de tensões de porta – a equipe descobriu TaIrTe₄ transição entre os dois estados topológicos distintos, disse Ma. Em ambos os casos, o material apresenta condutividade eléctrica zero no seu interior, enquanto os seus limites permanecem condutivos. Através de investigação experimental e teórica sistemática, determinamos que estes dois estados topológicos derivam de origens díspares.

As descobertas, que superaram as previsões teóricas, surpreenderam os cientistas.

“Normalmente, adicionar elétrons a um material aumenta sua condutividade devido ao maior número de portadores de carga ou eletricidade”, disse Ma. “Inicialmente, nosso sistema se comportou conforme o esperado e tornou-se mais condutivo com a adição de elétrons.

"No entanto, além de um certo ponto, a adição de mais elétrons inesperadamente tornou o interior isolante novamente, com condução elétrica apenas nos limites e sem perda de energia, o que é exatamente novamente uma fase isolante topológica, assim como no ponto inicial, quando o interior não tem elétrons Esta transição para uma segunda fase de isolamento topológico é totalmente inesperada."

Ma disse que o trabalho futuro sobre a descoberta inclui colaborações com grupos especializados em outras técnicas especializadas, como sondas de imagem em nanoescala, para compreender melhor o comportamento inesperado.

"Também nos concentraremos em refinar a qualidade do nosso material para melhorar a já impressionante condução topológica sem dissipação", disse Ma. "Além disso, planejamos construir heteroestruturas baseadas neste novo material para desbloquear comportamentos físicos ainda mais intrigantes."

No Boston College, Ma colaborou com os professores de física Kenneth Burch e Ziqiang Wang; funcionários da Sala Limpa da Universidade; Pós-doutorandos do BC Jian Tang, Zumeng Huang e Zhe Sun; os estudantes de pós-graduação Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich e Yiping Wang; e Zihan Wang, pesquisador visitante de graduação.

Mais informações: Jian Tang et al, Isolador Hall de spin quântico duplo por correlações ajustadas por densidade em TaIrTe₄ , Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07211-8
Informações do diário: Natureza

Fornecido pelo Boston College

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