p (Phys.org) - Em massa, isoladores topológicos (TIs) são bons isolantes, mas em sua superfície eles agem como metais, com uma torção:o spin e a direção dos elétrons que se movem na superfície de um TI são travados. TIs oferecem oportunidades únicas para controlar correntes elétricas e magnetismo, e novas pesquisas por uma equipe de cientistas da China e dos EUA, trabalhando com Alexei Fedorov do Berkeley Lab na linha de luz 12.0 na fonte de luz avançada, aponta para maneiras de manipular seus estados de superfície. p Grafeno, uma única camada de átomos de carbono, compartilha uma propriedade intrigante com TIs. Em ambos, suas estruturas de banda - as energias nas quais os elétrons fluem livremente em uma banda de condução ou estão ligados aos átomos em uma banda de valência - são bastante diferentes das bandas sobrepostas de metais, as bandas amplamente separadas de isoladores, ou a estreita lacuna de energia de um semicondutor entre as bandas. Em grafeno e TIs, as bandas de condução e valência formam cones que se encontram em um ponto, o ponto Dirac.

p Aqui termina sua semelhança. Os cones perfeitos do grafeno fornecem apenas uma visão esquemática da estrutura real da banda:um desvio das linhas perfeitamente retas aparece quando todas as possíveis interações dos elétrons em seu caminho através da rede do átomo de carbono são incluídas - um processo chamado "renormalização". Renormalizar os estados eletrônicos próximos ao ponto de Dirac (em outras palavras, desenhar as pontas dos cones) requer a compreensão do comportamento coletivo de numerosos elétrons e buracos carregados positivamente (ausências de elétrons, também conhecido como quasipartículas).

p A renormalização foi observada no grafeno, mas não em TIs - até agora, e fazer isso exigiu um truque. Os pesquisadores estudaram diferentes compostos TI usando espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) na linha de luz 12.0, que tem a capacidade única de criar imagens de estruturas de banda eletrônica diretamente. Eles pegaram espectros de dois isolantes topológicos promissores, telureto de bismuto e seleneto de bismuto.

p TIs têm dois conjuntos de estruturas de banda, ecoando a diferença entre suas propriedades de volume e superfície, e quando a ARPES obteve imagens dos compostos de amostra "nus, "as bandas em massa obscureceram os cones de superfície e as pontas de Dirac. Mas depois de colocar camadas de filmes de bismuto puro, que também é um TI, para os compostos, as bandas incômodas em massa desapareceram.

p Em um composto em camadas, bismuto em telureto de bismuto, ARPES revelou dramaticamente o ponto de Dirac - na verdade, dois deles. Dois conjuntos de linhas convergentes apareceram, uma reunião no ápice da banda de valência de superfície do telureto de bismuto e a outra em uma energia mais alta. Uma linha vertical brilhante conectava as pontas dos dois cones.

p Se os cones estivessem realmente separados, as partículas carregadas entre eles teriam velocidade infinita. Mas após análise, os pesquisadores determinaram que o espectro ARPES era um híbrido, e que a linha vertical reveladora originou-se de interações de muitos corpos que eram o sinal da renormalização bloqueadora do infinito que buscavam.

p O que torna as interações entre muitos corpos difíceis de detectar em TIs é que, ao contrário do grafeno, suas estruturas de banda de superfície são polarizadas por spin, ou "helicoidal". Ao hibridizar dois TIs especialmente bem combinados e inclinar seus cones de Dirac, a renormalização oculta foi encontrada - em pelo menos uma estrutura de TI.