p Os pesquisadores criaram nanofitas de uma classe emergente de materiais chamados isolantes topológicos e usaram um campo magnético para controlar suas propriedades semicondutoras, um passo em direção ao aproveitamento da tecnologia para estudar física exótica e construir novos dispositivos spintrônicos ou computadores quânticos. p Ao contrário dos materiais comuns que são isolantes ou condutores, Os isoladores topológicos são paradoxalmente ao mesmo tempo - eles são isolantes internos, mas conduzem eletricidade na superfície, disse Yong P. Chen, um professor associado de física e astronomia da Purdue University e engenharia elétrica e da computação que trabalhou com o aluno de doutorado Luis A. Jauregui e outros pesquisadores.

p Os materiais podem ser usados ​​para dispositivos "spintrônicos" e computadores quânticos práticos muito mais poderosos do que as tecnologias atuais. Nas novas descobertas, os pesquisadores usaram um campo magnético para induzir o chamado "modo helicoidal" de elétrons, uma capacidade que tornaria possível controlar o estado de spin dos elétrons.

p Os resultados são detalhados em um artigo de pesquisa que apareceu na publicação online antecipada da revista. Nature Nanotechnology em 18 de janeiro e mostrou que um campo magnético pode ser usado para induzir as nanofitas a passar por uma "transição topológica, "alternar entre um material que possui uma lacuna de banda na superfície e outro que não possui.

p "O silício é um semicondutor, o que significa que tem uma lacuna de banda, um traço que é necessário para ligar e desligar a condução, a base para transistores digitais baseados em silício para armazenar e processar informações em código binário, "Disse Chen." O cobre é um metal, o que significa que não tem lacuna de banda e é sempre um bom condutor. Em ambos os casos, a presença ou ausência de gap é uma propriedade fixa. O que é estranho sobre a superfície desses materiais é que você pode controlar se há um gap de banda ou não apenas aplicando um campo magnético, então é meio sintonizável, e esta transição é periódica no campo magnético, para que você possa conduzi-lo por muitos estados 'com lacunas' e 'sem intervalos'. "

p As nanofitas são feitas de telureto de bismuto, o material por trás das tecnologias de resfriamento de estado sólido, como refrigeradores termoelétricos comerciais.

p "O telureto de bismuto tem sido o principal material de resfriamento termoelétrico por décadas, mas apenas nos últimos anos as pessoas descobriram que este material e materiais relacionados têm esta propriedade adicional surpreendente de serem isolantes topológicos, " ele disse.

p O artigo é de autoria de Jauregui; Michael T. Pettes, um ex-pesquisador de pós-doutorado na Universidade do Texas em Austin e agora um professor assistente no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Connecticut; Leonid P. Rokhinson, um professor Purdue de física e astronomia e engenharia elétrica e da computação; Li Shi, BF Goodrich Professor Titular de Engenharia de Materiais na Universidade do Texas em Austin; e Chen

p Uma descoberta importante foi que os pesquisadores documentaram o uso de nanofitas para medir as chamadas oscilações de Aharonov-Bohm, o que é possível conduzindo elétrons em direções opostas em caminhos semelhantes a anéis ao redor das nanofitas. A estrutura do nanofio - um nanofio topologicamente igual a um cilindro - é fundamental para a descoberta porque permite o estudo dos elétrons à medida que eles viajam em uma direção circular ao redor da fita. Os elétrons conduzem apenas na superfície dos nanofios, traçando uma circulação cilíndrica.

p "Se você deixar os elétrons viajarem em dois caminhos ao redor de um anel, nos caminhos esquerdo e direito, e eles se encontram na outra extremidade do anel, então eles irão interferir de forma construtiva ou destrutiva, dependendo da diferença de fase criada por um campo magnético, resultando em alta ou baixa condutividade, respectivamente, mostrando a natureza quântica dos elétrons se comportando como ondas, "Jauregui disse.

p Os pesquisadores demonstraram uma nova variação nesta oscilação em superfícies isolantes topológicas, induzindo o modo helicoidal de spin dos elétrons. O resultado é a capacidade de passar da interferência construtiva para a destrutiva e vice-versa.

p "Isso fornece evidências muito definitivas de que estamos medindo os elétrons helicoidais de spin, "Jauregui disse." Estamos medindo esses estados de superfície topológicos. Este efeito realmente não foi visto de forma muito convincente até recentemente, então agora este experimento realmente fornece evidências claras de que estamos falando sobre esses elétrons de spin helicoidal que se propagam no cilindro, então este é um aspecto dessa oscilação. "

p Os resultados também mostraram essa oscilação em função da "tensão da porta, "representando outra maneira de mudar a condução de alta para baixa.

p "A mudança ocorre sempre que a circunferência da nanofita contém apenas um número inteiro do comprimento de onda da mecânica quântica, ou 'comprimento de onda fermi, 'que é sintonizado pela tensão de porta dos elétrons que envolvem a superfície, "Chen disse.

p Foi a primeira vez que os pesquisadores viram esse tipo de oscilação dependente do portão nas nanofitas e ainda a correlacionou com a estrutura da faixa isolante topológica do telureto de bismuto.

p As nanofitas possuem "proteção topológica, "evitando que elétrons na superfície se espalhem e permitindo alta condutividade, uma qualidade não encontrada em metais e semicondutores convencionais. Eles foram fabricados por pesquisadores da UT Austin.

p As medições foram realizadas enquanto as nanofitas eram resfriadas a cerca de 273 graus Celsius negativos (quase 460 graus Fahrenheit negativos).

p “Temos que operar em baixas temperaturas para observar a natureza quântica dos elétrons, "Chen disse.

p Pesquisas futuras incluirão trabalhos para investigar melhor os nanofios como uma plataforma para estudar a física exótica necessária para cálculos quânticos topológicos. Os pesquisadores terão como objetivo conectar os nanofios com supercondutores, que conduzem eletricidade sem resistência, para dispositivos supercondutores-isolantes topológicos híbridos. Combinando ainda mais isoladores topológicos com um supercondutor, os pesquisadores podem ser capazes de construir um computador quântico prático que seja menos suscetível às impurezas e perturbações ambientais que apresentam desafios até agora. Essa tecnologia realizaria cálculos usando as leis da mecânica quântica, tornando os computadores muito mais rápidos do que os computadores convencionais em certas tarefas, como pesquisas de banco de dados e quebra de código.