p Isoladores topológicos tridimensionais são materiais que podem conduzir corrente elétrica sem resistência - mas apenas em sua superfície. Contudo, este efeito é difícil de medir. Isso porque esses materiais costumam ter pouca área superficial em relação ao seu volume, o que significa que suas propriedades de transporte são dominadas por graneleiros. p Os físicos da Universidade de Bielefeld agora tiveram sucesso no desenvolvimento de isoladores topológicos baseados em minúsculas nanopartículas e, portanto, foram capazes de demonstrar o transporte de carga na superfície. O estudo foi conduzido em cooperação com pesquisadores da Universidade de Duisburg-Essen e do Instituto Leibniz de Estado Sólido e Pesquisa de Materiais de Dresden. Os cientistas publicaram seus resultados hoje na revista Pequena .

p Isoladores topológicos têm propriedades que só podem ser descritas pela física quântica. O que é especial sobre esses materiais quânticos é que seu volume não conduz eletricidade ou apenas muito mal, enquanto os portadores de carga podem se mover sem interferência em canais de transporte protegidos em sua superfície. O composto telureto de bismuto é um material com tais canais de transporte protegidos.

p "Amostras macroscopicamente grandes desses isoladores topológicos tridimensionais, Contudo, têm um volume muito alto em comparação com sua área de superfície. Como resultado, há muito mais transportadoras de carga em massa, o que significa que seu transporte de carga deficiente domina o transporte de carga na superfície, "diz a professora Dra. Gabi Schierning do grupo de pesquisa Thin Filmes e Física de Nanoestruturas da Universidade de Bielefeld." Mesmo que as propriedades especiais de transporte dos isoladores topológicos tridimensionais sejam previstas em teoria, é difícil examiná-los em experimentos. "

p Para contornar este problema, os cientistas estão usando nanopartículas. Como essas partículas são tão pequenas, eles têm uma grande área de superfície em relação ao seu volume. Schierning e seus colegas agora comprimiram nanopartículas de telureto de bismuto em pelotas de cinco milímetros de largura e 0,5 milímetros de espessura - e produziram um isolante topológico tridimensional feito de nano unidades.

p Amostras de material macroscópico com inúmeras interfaces

p "Com este truque, Conseguimos criar amostras macroscópicas de materiais com um grande número de interfaces e superfícies. Nosso estudo mostra que os portadores de carga protegidos nessas superfícies podem ser examinados e que a corrente elétrica é conduzida muito bem ali, "diz Sepideh Izadi, estudante de doutorado no grupo de pesquisa de Schierning e principal autor do estudo. Schierning acrescenta que seu "design de material especial possibilitou que descobríssemos propriedades que conhecemos da teoria, mas não podíamos ver antes. É isso que torna o trabalho tão especial para mim".

p O estudo foi conduzido em estreita cooperação com cientistas da Universidade de Duisburg-Essen e do Instituto Leibniz para Estado Sólido e Pesquisa de Materiais de Dresden. Primeiro, as amostras de material foram preparadas no grupo de pesquisa do Professor Dr. Stephan Schulz da Universidade de Duisburg-Essen. Isso exigiu muito trabalho:as nanopartículas precisam ter superfícies muito limpas, por exemplo, e não reagir com o meio ambiente. "Eles também devem ser reunidos para que fiquem juntos - como construir um castelo de areia - mas, ao mesmo tempo, eles não devem ser compactados tanto que os canais de transporte protegidos nas interfaces sejam perdidos, "diz Schierning.

p Os pesquisadores então usaram vários métodos para investigar o transporte de carga nas interfaces e superfícies. Junto com colegas do Instituto Leibniz de Estado Sólido e Pesquisa de Materiais em Dresden, por exemplo, os cientistas de Bielefeld mediram o quão bem a amostra de material conduz a corrente em diferentes condições, como em diferentes temperaturas ou com diferentes campos magnéticos. "Os resultados são uma indicação clara dos mecanismos de transporte de um isolador topológico tridimensional, "diz Schierning.

p As investigações foram encerradas por espectroscopia terahertz, pelo qual a equipe de pesquisa do Professor Dr. Martin Mittendorff da Universidade de Duisburg-Essen foi responsável. Nesse processo, a amostra é excitada com ondas eletromagnéticas na faixa de terahertz e a radiação refletida é medida. Aqui, também, fenômenos especiais foram observados que ocorrem apenas em isoladores topológicos tridimensionais - e mesmo em temperaturas tão baixas quanto cerca de 70 graus Celsius negativos, temperaturas bastante altas para tal efeito.

p "Nosso estudo mostra que isoladores topológicos tridimensionais podem ser realizados em escala macroscópica e mostrar suas propriedades em temperaturas comparativamente altas. Esta é uma etapa significativa na pesquisa fundamental, e um que também pode ser importante para possíveis aplicações, mas ainda estamos muito longe disso, "diz Schierning. Isoladores topológicos tridimensionais podem ser usados ​​em computadores quânticos, por exemplo.