Assim como um livro não pode ser julgado pela capa, um material nem sempre pode ser julgado pela sua superfície. Mas, para uma classe de materiais evasiva e conjecturada, os físicos mostraram agora que a superfície anteriormente considerada “sem características” contém uma assinatura inconfundível que poderia levar à primeira observação definitiva.



Isoladores topológicos de ordem superior, ou HOTIs, têm atraído a atenção por sua capacidade de conduzir eletricidade ao longo de linhas unidimensionais em suas superfícies, mas esta propriedade é bastante difícil de distinguir experimentalmente de outros efeitos. Em vez disso, ao estudar o interior destes materiais de uma perspetiva diferente, uma equipa de físicos identificou uma assinatura de superfície que é exclusiva dos HOTIs e que pode determinar como a luz reflete nas suas superfícies.

Como relata a equipe na revista Nature Communications, esta propriedade poderia ser usada para confirmar experimentalmente a existência de tais estados topológicos em materiais reais.

“As propriedades interiores ou de volume dos HOTIs e de outros isolantes topológicos têm sido desconsideradas há muito tempo, mas acontece que muitas coisas interessantes estão acontecendo lá também”, disse Barry Bradlyn, professor de física da Universidade de Illinois. Urbana-Champaign e co-líder do projeto. "Quando olhamos para as superfícies através de lentes mais cuidadosas, elas imediatamente se destacaram como nada triviais ou sem características."

Por muito tempo, os isoladores topológicos foram conhecidos por sua capacidade de transportar correntes elétricas em suas superfícies, embora tenham interiores isolantes. Os HOTIs, entretanto, restringiriam a condução elétrica a uma borda unidimensional, ou "dobradiça", em vez de toda a superfície bidimensional.

"Charles Kane, que descobriu os isoladores topológicos, introduziu uma boa analogia", disse Benjamin Wieder, membro do corpo docente do Institut de Physique Théorique, Université Paris-Saclay e co-líder do projeto. "Podemos pensar nos isoladores topológicos padrão como Hershey's Kisses. Uma folha de metal condutor enrolada em um isolador que não conduz eletricidade, o chocolate, neste caso, é uma boa maneira de entendê-los. Com os HOTIs, porém, é como se alguém pegou o papel alumínio e amassou-o em um anel fino envolvendo o chocolate."

Embora estados condutores de superfície tenham sido observados em isoladores topológicos padrão, resolver a dobradiça em HOTIs provou ser excepcionalmente difícil. Bradlyn explicou que esta propriedade só pode existir em amostras de materiais que tenham um grau de simetria invulgarmente elevado, o que significa que as suas estruturas cristalinas devem ser irrealisticamente perfeitas.

Em vez disso, Bradlyn e seus colaboradores voltaram sua atenção do estado de dobradiça para o interior, onde os elétrons tendem a se “deslocalizar” dos átomos individuais e se espalhar por todo o material. Ao contrário de estudos anteriores que tratam todos os eletrões da mesma forma, os investigadores consideraram diferenças no spin – uma propriedade dos eletrões que lhes permite comportar-se como ímanes em miniatura.

"Quando dividimos os elétrons interiores em seus dois possíveis estados de spin, para cima e para baixo, vimos que cada estado deixa uma assinatura de superfície única", disse Kuan-Sen Lin, estudante de graduação em física na U. of I. e pesquisador do estudo. autor principal. "Mesmo que a superfície de um HOTI pareça desinteressante, quando você olha o que cada rotação está fazendo separadamente na superfície, surge um novo comportamento inconfundível que esperamos que em breve seja medido em experimentos."

Como os elétrons com spins diferentes se comportam como ímãs, eles respondem de maneira diferente quando uma voltagem elétrica é aplicada ao material, fazendo com que os dois estados de spin se acumulem em lados opostos. Esse acúmulo pode ser detectado aproveitando o efeito magneto-óptico Kerr, no qual a polarização, ou orientação da luz, muda quando ela reflete na superfície de um ímã. No caso dos HOTIs, os pesquisadores calcularam a mudança de polarização de cada estado de spin e descobriram que seria exatamente metade da mudança que resultaria de um isolador comum.

"Na analogia do Kiss, poderíamos esperar que, como a folha foi amassada, o chocolate esteja em contato direto com o ar", disse Gregory Fiete, professor de física na Northeastern University e autor correspondente do estudo. “Com os comportamentos de superfície dependentes do spin que encontramos, podemos dizer que existe de fato uma camada transparente que mantém o chocolate separado do resto do supermercado.”

Com base nos cálculos dos primeiros princípios com o kit de ferramentas teóricas especializadas que os pesquisadores desenvolveram para este estudo, eles identificaram o brometo de bismuto metálico como um candidato muito forte para observar esse efeito. Eles estão atualmente trabalhando com o professor de física da U. of I. Fahad Mahmood e o professor de ciência e engenharia de materiais da U. of I. Daniel Shoemaker para projetar e realizar os experimentos propostos neste estudo.

“As propriedades dos HOTIs que identificamos aqui seriam muito úteis na computação quântica e em dispositivos spintrônicos, mas precisamos primeiro vê-los em experimentos”, disse Bradlyn. Wieder acrescentou:“Esperamos que nosso trabalho mostre que o interior e as superfícies dos materiais topológicos ainda hospedam muitas características misteriosas e vantajosas se você souber como procurá-las”.

Os primeiros cálculos dos princípios do brometo de bismuto foram realizados por Zhaopeng Guo e Zhijun Wang, da Academia Chinesa de Ciências. Suporte computacional adicional foi fornecido por Jeremey Blackburn da Binghamton University. Giandomenico Palumbo do Instituto de Estudos Avançados de Dublin e Yoonseok Hwang da U. of I. também contribuíram para este trabalho.

Mais informações: Kuan-Sen Lin et al, Topologia resolvida por spin e ângulos axion parciais em isoladores tridimensionais, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44762-w
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois