Esta animação mostra a criação e o desaparecimento de condições que produzem caminhos onde a eletricidade pode viajar sem resistência em uma única camada de dissulfeto de tungstênio. É baseado em simulações nas quais o material é iluminado com luz polarizada circularmente, cujos comprimentos de onda variam do infravermelho próximo ao vermelho. Cada quadro é um diagrama dos elétrons do material. A fina área brilhante que aparece gradualmente no meio do quadro e depois desaparece significa as condições desejadas. Crédito:Martin Claassen / Stanford University
Físicos teóricos do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia usaram simulações de computador para mostrar como pulsos de luz especiais poderiam criar canais robustos onde a eletricidade flui sem resistência em um semicondutor atomicamente fino.
Se esta abordagem for confirmada por experimentos, poderia abrir a porta para uma nova maneira de criar e controlar essa propriedade desejável em uma gama mais ampla de materiais do que é possível hoje.
O resultado foi publicado em Nature Communications .
Na última década, entender como criar esse tipo exótico de material - conhecido como "topologicamente protegido" porque seus estados de superfície são impermeáveis a pequenas distorções - tem sido um tópico de pesquisa quente na ciência dos materiais. Os exemplos mais conhecidos são isolantes topológicos, que conduzem eletricidade sem resistência em canais confinados ao longo de suas bordas ou superfícies, mas não através de seus interiores.
Os pesquisadores do SLAC e da Universidade de Stanford estão na vanguarda da descoberta de tais materiais e da investigação de suas propriedades, que podem ter futuras aplicações em circuitos e dispositivos microeletrônicos. O Prêmio Nobel de Física deste ano foi concedido a três cientistas que sugeriram pela primeira vez a possibilidade de propriedades de materiais protegidos topologicamente.
Estudos teóricos anteriores analisaram como a luz pode induzir fenômenos protegidos topologicamente no grafeno, uma folha de carbono puro com apenas um átomo de espessura. Infelizmente, seria necessária uma energia e intensidade luminosa impraticavelmente altas para induzir esse efeito no grafeno. Neste estudo, Os pesquisadores do SLAC se concentraram em dissulfeto de tungstênio e compostos relacionados, que formam folhas de apenas uma molécula de espessura e são intrinsecamente semicondutoras.
Os pesquisadores simularam experimentos em que pulsos de luz polarizada circularmente, na faixa de comprimento de onda do vermelho ao infravermelho próximo, atingiu uma única camada de dissulfeto de tungstênio. Os resultados mostraram que durante o tempo em que o material foi iluminado, seus elétrons se organizaram de uma maneira fundamentalmente diferente do grafeno, criando novos caminhos com absolutamente nenhuma resistência elétrica ao longo das bordas da amostra.
Para explicar as interações flutuantes entre ondas de luz e elétrons, os pesquisadores empregaram um quadro de referência que variava periodicamente no tempo, com raízes que remontavam à década de 1880 e ao matemático francês Gaston Floquet. A abordagem mostrou claramente que a luz de baixa energia, para o qual o material pareceria transparente, criaria protegido topologicamente, caminhos de borda sem resistência na monocamada de dissulfeto de tungstênio.
Além disso, a simulação mostrou que o aquecimento indesejado do material que interromperia os caminhos poderia ser evitado ajustando-se a energia da luz para ser um pouco menor do que a energia "ressonante" mais eficiente.
"Somos os primeiros a conectar modelos de materiais de primeiros princípios com estados protegidos topologicamente induzidos pela luz, ao mesmo tempo que mitigamos o excesso de aquecimento do material, "disse Martin Claassen, um estudante de graduação de Stanford trabalhando no SLAC e autor principal do artigo técnico.
Os pesquisadores estão em discussões com outros grupos de pesquisa que podem levar a experimentos que testem suas previsões teóricas em materiais reais.
