Em um novo experimento, os físicos observaram efeitos de coerência quântica de longo alcance devido à interferência de Aharonov-Bohm em um dispositivo baseado em isolante topológico. Esta descoberta abre um novo reino de possibilidades para o desenvolvimento futuro da física e engenharia quântica topológica.



Esta descoberta também pode afectar o desenvolvimento da electrónica baseada em spin, que pode potencialmente substituir alguns sistemas electrónicos actuais para maior eficiência energética e pode fornecer novas plataformas para explorar a ciência da informação quântica.

A pesquisa, publicada na edição de 20 de fevereiro da Nature Physics, é o culminar de mais de 15 anos de trabalho em Princeton. Surgiu quando os cientistas de Princeton desenvolveram um dispositivo quântico - chamado brometo de bismuto (α-Bi₄ Br₄ ) isolante topológico - com apenas alguns nanômetros de espessura e o usou para investigar a coerência quântica.

Os cientistas têm usado isoladores topológicos para demonstrar novos efeitos quânticos há mais de uma década. A equipe de Princeton desenvolveu seu isolador à base de bismuto em um experimento anterior, onde demonstraram sua eficácia à temperatura ambiente.

Mas esta nova experiência é a primeira vez que estes efeitos foram observados com uma coerência quântica de longo alcance e a uma temperatura relativamente elevada. Induzir e observar estados quânticos coerentes normalmente requer temperaturas próximas do zero absoluto em materiais semicondutores projetados artificialmente apenas na presença de campos magnéticos fortes.

"Nossos experimentos fornecem evidências convincentes da existência de coerência quântica de longo alcance em modos de dobradiça topológica, abrindo assim novos caminhos para o desenvolvimento de circuitos topológicos, bem como usando este método topológico para explorar e avançar a física fundamental", disse M. Zahid Hasan , o professor de física Eugene Higgins da Universidade de Princeton, que liderou a pesquisa.

"Ao contrário dos dispositivos eletrônicos convencionais, os circuitos topológicos são robustos contra defeitos e impurezas, tornando-os muito menos propensos à dissipação de energia, o que é vantajoso para aplicações mais ecológicas."

Estados topológicos da matéria e coerência

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 a física quântica com a topologia – um ramo da matemática teórica que explora propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não intrinsecamente alteradas.

O principal dispositivo usado para investigar os mistérios da topologia quântica é chamado de isolante topológico. Este é um dispositivo único que atua como 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. Um tipo especial de topologia também é possível em certos materiais à base de bismuto, onde algumas arestas podem ficar abertas e apenas algumas dobradiças permanecem condutoras.

Um dispositivo feito de tais materiais topológicos tem o potencial não só de melhorar a tecnologia, mas também de gerar uma maior compreensão da própria matéria, investigando propriedades quânticas de formas novas e inovadoras.

Até agora, no entanto, a incapacidade de atingir longos tempos de coerência tem sido um grande obstáculo na busca pela utilização dos materiais para aplicações em dispositivos funcionais. Coerência refere-se à capacidade de manter os estados quânticos de superposição e emaranhamento diante de influências perturbadoras, como termalização ou outras interações com o meio ambiente.

"Há muito interesse em materiais topológicos, e as pessoas muitas vezes falam sobre seu grande potencial para aplicações práticas", disse Hasan, "mas até que algum efeito topológico quântico macroscópico possa ser demonstrado como tendo coerência quântica longa, que também pode operar em níveis relativamente altos temperaturas, essas aplicações provavelmente permanecerão não realizadas. Portanto, estamos em busca de materiais que exibam coerência quântica de elétrons topológicos de longo alcance."

A experiência atual

A equipe de Hasan explora materiais topológicos baseados em bismuto há quase duas décadas. Recentemente, no entanto, a equipe descobriu que o isolador de brometo de bismuto tem propriedades que o tornam mais ideal em comparação com os isoladores topológicos à base de bismuto (incluindo ligas Bi-Sb) que eles estudaram desde 2005. Ele tem uma grande lacuna de isolamento de mais de 200 meV. (mili-elétron-volts). Isto é grande o suficiente para superar o ruído térmico, mas pequeno o suficiente para não perturbar o efeito de acoplamento spin-órbita e a topologia de inversão de banda.

Os isoladores de brometo de bismuto pertencem a uma classe de isoladores topológicos que também exibem efeitos de alta ordem cujas superfícies se tornam isolantes, mas as bordas de orientações ditadas por alguma simetria permanecem condutoras. Estes são chamados de estados de dobradiça, que foram recentemente teorizados pelo grupo do colaborador e co-autor Titus Neupert na Universidade de Zurique.

"Embora não tenha sido garantido em teoria, através de vários anos de experimentação descobrimos que os estados de dobradiça do brometo de bismuto têm coerência quântica de longo alcance a temperaturas relativamente altas. Neste caso, em nossos experimentos baseados nos dispositivos que fabricamos, encontramos um equilíbrio entre efeitos de acoplamento spin-órbita, coerência quântica de longo alcance e flutuações térmicas", disse Hasan.

"Descobrimos que existe um 'ponto ideal' onde você pode ter um grau relativamente alto de coerência quântica dos modos de dobradiça topológica, bem como operar a uma temperatura relativamente alta. É como um ponto de equilíbrio para os materiais à base de bismuto que nós estudamos há quase duas décadas."

Usando um microscópio de tunelamento de varredura, os pesquisadores observaram um estado de borda Hall de spin quântico claro, que é uma das propriedades importantes que existem exclusivamente em sistemas topológicos. Isso exigiu nova instrumentação adicional para isolar exclusivamente o efeito topológico.

Embora o bismuto abrigue tal estado quântico, o material em si é um semimetal sem qualquer lacuna de energia isolante. Isto torna difícil explorar suas consequências no transporte de elétrons porque, no bismuto, os canais de transporte contêm elétrons tanto do estado bruto quanto dos estados de dobradiça. Eles misturam e desfocam o sinal de transporte quântico coerente dos estados de dobradiça.

Um outro problema é causado pelo que os físicos chamam de “ruído térmico”, que é definido como um aumento de temperatura tal que os átomos começam a vibrar violentamente. Esta ação pode perturbar sistemas quânticos delicados, colapsando assim o estado quântico. Em isoladores topológicos, em particular, essas temperaturas mais altas criam uma situação na qual os elétrons na superfície do isolador invadem o interior, ou "volume", do isolador, e fazem com que os elétrons ali também comecem a conduzir, o que dilui ou quebra. o efeito quântico especial. As flutuações térmicas também destroem a coerência da fase quântica dos elétrons.

Mas o isolador de brometo de bismuto desenvolvido pela equipe foi capaz de contornar esse e outros problemas. Eles usaram o dispositivo para demonstrar o transporte quântico coerente através dos modos de dobradiça topológica. Uma marca registrada do transporte quântico coerente é a manifestação da interferência quântica de Aharonov-Bohm.

A interferência Aharonov-Bohm, prevista há quase 60 anos (o físico David Bohm esteve em Princeton de 1947 a 1951), descreve um fenômeno onde uma onda quântica é dividida em duas ondas que percorrem um caminho fechado e interferem sob a influência de uma onda eletromagnética. potencial.

O padrão de interferência resultante é determinado pelo fluxo magnético envolvido pelas ondas. No caso dos elétrons, tal interferência quântica ocorre se os elétrons de condução permanecerem com fase coerente após completarem trajetórias fechadas, resultando em uma oscilação periódica na resistência elétrica com um período característico do campo magnético ΔB = Φ₀ /S, onde Φ₀  = h/e é o quantum de fluxo, S é a área sobre a qual as trajetórias dos elétrons permanecem coerentes com a fase, h é a constante de Planck e e é a carga do elétron.

Para os canais de condução topológicos, todas as trajetórias coerentes de fase que participam da interferência quântica encerram a mesma área perpendicular ao campo B, que é diferente das flutuações de condutância universal. Aqui eles apresentam traços de magnetorresistência do α-Bi₄ Br₄ amostras que mostram oscilações periódicas B, a marca registrada do efeito Aharonov-Bohm decorrente de portadores coerentes de fase.

"Pela primeira vez, demonstramos que existe uma classe de dispositivos eletrônicos topológicos baseados em bismuto que podem ter um alto grau de coerência quântica sobrevivendo até temperaturas relativamente altas, o que é devido ao efeito de interferência de Aharonov-Bohm decorrente de topologia coerente de fase elétrons", disse Hasan.

As raízes topológicas da descoberta residem 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 têm sido intensamente estudadas.

Muitas novas classes de materiais quânticos com estruturas eletrônicas topológicas foram encontradas, incluindo isolantes topológicos, supercondutores topológicos, ímãs topológicos e semimetais de Weyl. As descobertas experimentais e teóricas continuaram.

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, e F. Duncan Haldane, professor de física Eugene Higgins em Princeton, ganhou o Prêmio Nobel de 2016 em Física pelas descobertas teóricas de transições de fase topológicas e um tipo de isoladores topológicos bidimensionais (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 estão em uma busca de uma década por um estado quântico topológico que também possa preservar um alto grau de coerência quântica a uma temperatura relativamente alta, após a descoberta dos primeiros exemplos de isoladores topológicos tridimensionais em 2007.

Recentemente, eles encontraram uma solução para a conjectura de Haldane em um material topológico que seja capaz de operar em temperatura ambiente, que também apresente a quantização desejada.

"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 dispositivo para manter uma coerência quântica longa", disse Hasan.

"Existem muitos materiais topológicos baseados em Bi, e precisamos de intuição, experiência, cálculos específicos de materiais e intensos esforços experimentais para eventualmente encontrar o material certo para exploração aprofundada em um ambiente de dispositivo. E isso nos levou uma década- longa jornada de investigação de alguns materiais à base de bismuto que eventualmente parecem estar funcionando."

Implicações para materiais quânticos

“Acreditamos que esta descoberta pode ser o ponto de partida para o desenvolvimento futuro da engenharia quântica e da nanotecnologia”, disse Shafayat Hossain, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Hasan e co-autor do estudo.

"Há tantas possibilidades propostas na ciência quântica topológica e na tecnologia de engenharia que aguardam, e encontrar materiais apropriados com propriedades de coerência quântica longas, juntamente com nova instrumentação, é uma das chaves para isso. E foi isso que alcançamos."

“Se os elétrons não estão saltando ou agitados, eles não estão perdendo energia”, disse Hasan. "Isto cria uma base quântica para a poupança de energia ou para tecnologias mais ecológicas porque consomem muito menos energia. Mas isto ainda está muito longe."

Atualmente, o foco teórico e experimental da equipe de Hasan está concentrado em duas direções, disse Hasan. Primeiro, os investigadores querem determinar que outros materiais topológicos podem exibir um nível semelhante ou superior de coerência quântica e, mais importante, fornecer a outros cientistas as ferramentas e novos métodos de instrumentação para identificar estes materiais que irão operar a temperaturas mais elevadas.

Em segundo lugar, os investigadores querem continuar a investigar mais profundamente o mundo quântico e a procurar novas físicas num ambiente de dispositivo. Estes estudos exigirão o desenvolvimento de outro conjunto de novos instrumentos, técnicas e dispositivos topológicos para aproveitar plenamente o enorme potencial destes materiais maravilhosos.

Nan Yao, coautor do artigo intitulado "Resposta de transporte quântico de modos de dobradiça topológica", e professor da prática no Instituto de Materiais de Princeton, resumiu a pesquisa dizendo:"Este trabalho em isoladores topológicos de ordem superior exemplifica o beleza e importância de descobrir novas facetas da natureza, como a coerência quântica dos estados de dobradiça topológicos."

"É uma descoberta que pode potencialmente levar a avanços emocionantes em dispositivos quânticos, e lembro-me da famosa citação de Einstein:'A coisa mais bela que podemos experimentar é o misterioso. É a fonte de toda a verdadeira arte e ciência.'"

Mais informações: Md Shafayat Hossain et al, Resposta de transporte quântico de modos de dobradiça topológica, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02388-1
Fornecido pela Universidade de Princeton