p Spintrônica se refere a um conjunto de sistemas físicos que podem um dia substituir muitos sistemas eletrônicos. Para realizar este salto geracional, os componentes materiais que confinam os elétrons em uma dimensão são muito procurados. Pela primeira vez, os pesquisadores criaram esse material na forma de um cristal especial à base de bismuto conhecido como isolante topológico de alta ordem. p Para criar dispositivos spintrônicos, novos materiais precisam ser projetados para tirar proveito de comportamentos quânticos não vistos na vida cotidiana. Você provavelmente está familiarizado com condutores e isoladores, que permitem e restringem o fluxo de elétrons, respectivamente. Semicondutores são comuns, mas menos familiares para alguns; estes geralmente isolam, mas conduta sob certas circunstâncias, tornando-os interruptores em miniatura ideais.

p Para aplicações spintrônicas, um novo tipo de material eletrônico é necessário e é chamado de isolante topológico. Ele difere desses outros três materiais por isolar todo o seu volume, mas conduzindo apenas ao longo de sua superfície. E o que ele conduz não é o fluxo dos próprios elétrons, mas uma propriedade deles conhecida como spin ou momento angular. Esta corrente de rotação, como é conhecido, poderia abrir um mundo de dispositivos de ultra-alta velocidade e baixo consumo de energia.

p Contudo, nem todos os isoladores topológicos são iguais:dois tipos, os chamados fortes e fracos, já foram criados, mas tem algumas desvantagens. À medida que conduzem o giro ao longo de toda a sua superfície, os elétrons presentes tendem a se espalhar, o que enfraquece sua capacidade de transmitir uma corrente de spin. Mas desde 2017, um terceiro tipo de isolante topológico denominado isolante topológico de ordem superior foi teorizado. Agora, pela primeira vez, um foi criado por uma equipe do Instituto de Física do Estado Sólido da Universidade de Tóquio.

p "Criamos um isolante topológico de ordem superior usando o elemento bismuto, "disse o professor associado Takeshi Kondo." Ele tem a capacidade inovadora de conduzir uma corrente de spin apenas ao longo de suas bordas, linhas essencialmente unidimensionais. Como a corrente de spin está ligada a uma dimensão em vez de duas, os elétrons não se espalham, então a corrente de spin permanece estável. "

p Para criar este cristal tridimensional, Kondo e sua equipe empilharam fatias bidimensionais de cristal com um átomo de espessura de uma certa maneira. Para isoladores topológicos fortes ou fracos, as fatias de cristal na pilha são orientadas da mesma maneira, como jogar cartas viradas para baixo em um baralho. Mas para criar o isolante topológico de ordem superior, a orientação das fatias foi alternada, as cartas metafóricas eram viradas para cima e para baixo repetidamente em toda a pilha. Essa mudança sutil no arranjo provoca uma grande mudança no comportamento do cristal tridimensional resultante.

p As camadas de cristal da pilha são mantidas juntas por uma força mecânica quântica chamada força de van der Waals. Este é um dos raros tipos de fenômenos quânticos que você realmente vê na vida diária, já que é parcialmente responsável pela maneira como os materiais em pó se aglomeram e fluem da maneira que fluem. No cristal, ele adere as camadas juntas.

p "Foi emocionante ver que as propriedades topológicas aparecem e desaparecem dependendo apenas da forma como as folhas atômicas bidimensionais foram empilhadas, "disse Kondo." Esse grau de liberdade no design de materiais trará novas ideias, levando a aplicações, incluindo dispositivos spintrônicos rápidos e eficientes, e coisas que ainda não imaginamos. "

p O estudo é publicado em Materiais da Natureza .