p Os pesquisadores criaram uma pista de corrida 3-D exótica para elétrons em fatias ultrafinas de um nanomaterial que eles fabricaram no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab). p A equipe internacional de cientistas do Berkeley Lab, UC Berkeley, e a Alemanha observou, pela primeira vez, um comportamento único em que os elétrons giram em torno de uma superfície, em seguida, através da maior parte do material para sua superfície oposta e de volta.

p A possibilidade de desenvolver a chamada "matéria topológica", que pode transportar corrente elétrica em sua superfície sem perda à temperatura ambiente, tem despertado grande interesse na comunidade de pesquisadores. O objetivo final é abordar a condução sem perdas de outra classe de materiais, conhecidos como supercondutores, mas sem a necessidade de extremo, temperaturas de congelamento que os supercondutores exigem.

p "Os microchips perdem tanta energia com a dissipação de calor que é um fator limitante, "disse James Analytis, um cientista da equipe do Berkeley Lab e professor assistente de física da UC Berkeley que liderou o estudo, publicado em Natureza . "Quanto menores eles se tornam, quanto mais eles esquentam. "

p O material estudado, um semimetal inorgânico chamado arseneto de cádmio (Cd3As2), exibe propriedades quânticas - que não são explicadas pelas leis clássicas da física - que oferecem uma nova abordagem para reduzir o desperdício de energia em microchips. Em 2014, os cientistas descobriram que o arsenieto de cádmio compartilha algumas propriedades eletrônicas com o grafeno, um material com um único átomo de espessura também preparado para componentes de computador de última geração, mas em uma forma 3-D.

p "O que é empolgante sobre esses fenômenos é que, em teoria, eles não são afetados pela temperatura, e o fato de existirem em três dimensões possivelmente facilita a fabricação de novos dispositivos, "Disse Analytis.

p As amostras de arseneto de cádmio exibiram uma propriedade quântica conhecida como "quiralidade" que acopla a propriedade fundamental de um elétron de spin ao seu momento, essencialmente dando-lhe traços de destros ou canhotos. O experimento forneceu um primeiro passo em direção ao objetivo de usar a quiralidade para transportar carga e energia através de um material sem perdas.

p No experimento, pesquisadores fabricaram e estudaram como a corrente elétrica viaja em fatias de um cristal de arsênio de cádmio com apenas 150 nanômetros de espessura, ou cerca de 600 vezes menor que a largura de um cabelo humano, quando sujeito a um alto campo magnético.

p As amostras de cristal foram criadas na Fundição Molecular do Berkeley Lab, que tem como foco a construção e o estudo de materiais em nanoescala, e sua estrutura 3-D foi detalhada usando raios-X na fonte de luz avançada do Berkeley Lab.

p Muitos mistérios permanecem sobre as propriedades exóticas do material estudado, e como uma próxima etapa, os pesquisadores estão buscando outras técnicas de fabricação para construir um material semelhante com propriedades magnéticas integradas, portanto, nenhum campo magnético externo é necessário.

p "Este não é o material certo para um aplicativo, mas nos diz que estamos no caminho certo, "Disse Analytis.

p Se os pesquisadores tiverem sucesso em suas modificações, tal material poderia concebivelmente ser usado para construir interconexões entre vários chips de computador, por exemplo, para computadores de próxima geração que dependem do spin de um elétron para processar dados (conhecido como "spintrônica"), e para a construção de dispositivos termoelétricos que convertem o calor residual em corrente elétrica.

p Não ficou claro no início se a equipe de pesquisa seria capaz de fabricar uma amostra pura o suficiente na escala minúscula necessária para realizar o experimento, Analytis disse.

p "Queríamos medir os estados superficiais dos elétrons no material. Mas este material 3-D também conduz eletricidade em massa - sua região central - bem como na superfície, "disse ele. Como resultado, quando você mede a corrente elétrica, o sinal é inundado pelo que está acontecendo na massa, então você nunca vê a contribuição da superfície. "

p Então, eles reduziram a amostra de milionésimos de metro para a nanoescala para dar a eles mais área de superfície e garantir que o sinal de superfície seria o dominante em um experimento.

p "Decidimos fazer isso moldando amostras em estruturas menores usando um feixe focalizado de partículas carregadas, ", disse ele." Mas esse feixe de íons é conhecido por ser uma forma rude de tratar o material - é tipicamente intrinsecamente prejudicial às superfícies, e pensamos que nunca iria funcionar. "

p Mas Philip J.W. Moll, agora no Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos na Alemanha, encontrou uma maneira de minimizar esses danos e fornecer superfícies bem polidas nas fatias minúsculas usando ferramentas na Fundição Molecular. "Cortar algo e ao mesmo tempo não danificá-lo são opostos naturais. Nossa equipe teve que levar a fabricação do feixe de íons aos seus limites de baixa energia e foco de feixe estreito para tornar isso possível."

p Quando os pesquisadores aplicaram uma corrente elétrica às amostras, eles descobriram que os elétrons correm em círculos semelhantes à forma como orbitam em torno do núcleo de um átomo, mas seu caminho passa tanto pela superfície quanto pela maior parte do material.

p O campo magnético aplicado empurra os elétrons ao redor da superfície. Quando eles alcançam a mesma energia e momento dos elétrons em massa, eles são puxados pela quiralidade do volume e empurrados para a outra superfície, repetir este caminho estranhamente tortuoso até que sejam espalhados por defeitos de material.

p O experimento representa um casamento bem-sucedido de abordagens teóricas com os materiais e técnicas corretos, Analytis disse.

p "Isso foi teorizado por Andrew Potter em nossa equipe e seus colegas de trabalho, e nosso experimento marca a primeira vez que foi observado, "Disse Analytis." É muito incomum - não há fenômenos análogos em qualquer outro sistema. As duas superfícies do material 'conversam' entre si a grandes distâncias devido à sua natureza quiral. "

p “Previmos esse comportamento como uma forma de medir as propriedades incomuns esperadas nesses materiais, e foi muito emocionante ver essas ideias ganhando vida em sistemas experimentais reais, "disse Potter, professor assistente de física na Universidade do Texas em Austin. "Philip e colaboradores fizeram algumas grandes inovações para produzir amostras extremamente finas e de alta qualidade, o que realmente tornou essas observações possíveis pela primeira vez. "

p Os pesquisadores também aprenderam que a desordem na padronização da superfície do cristal do material não parece afetar o comportamento dos elétrons ali, embora a desordem no material central tenha um impacto sobre se os elétrons se movem através do material de uma superfície para a outra.

p O movimento dos elétrons exibe dupla mão, com alguns elétrons viajando ao redor do material em uma direção e outros girando em uma direção oposta.

p Os pesquisadores estão agora desenvolvendo este trabalho na concepção de novos materiais para estudos em andamento, Analytis disse. "Estamos usando técnicas normalmente restritas à indústria de semicondutores para fazer protótipos de dispositivos a partir de materiais quânticos."