Os Pesquisadores Descobrem Estado Quântico Exótico Em Isoladores Topológicos

Uma nova descoberta

Pela primeira vez, físicos observaram novos efeitos quânticos em isolantes topológicos à temperatura ambiente. Esse avanço, publicado como o artigo de capa da edição de outubro da Nature Materials, surgiu quando os pesquisadores de Princeton analisaram um material topológico baseado no elemento bismuto.

Os cientistas têm vindo a usasr isoladores topológicos para mostrarem os efeitos quânticos por mais de uma década. Porém neste experimento, foi a primeira vez que esses efeitos foram observados à temperatura ambiente. Geralmente, induzir e observar estados quânticos em isoladores topológicos exige temperaturas em torno do zero absoluto, igual a -459 graus Fahrenheit (ou -273 graus Celsius).

Essa descoberta abre uma nova variedade de possibilidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas eficientes, como a electrónica baseada em spin, que pode substituir vários sistemas electrónicos actuais por uns de maior eficiência energética.

Recentemente, o estudo dos estados topológicos da matéria tem atraído atenção significativa entre os físicos e engenheiros, e é actualmente o foco de muito interesse e pesquisa internacional. Esta área de estudo integra a física quântica com a topologia – um ramo da matemática teórica que investiga as propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não fundamentalmente transformadas.

“As propriedades topológicas desconhecidas da matéria tornaram-se um dos tesouros mais procurados na física moderna, tanto do ponto de vista da física fundamental, quanto para identificar aplicações potenciais na engenharia quântica e nanotecnologias de próxima geração”, afirmou M. Zahid Hasan, o professor Eugene Higgins de Física da Universidade de Princeton, que liderou o estudo.

“Este trabalho foi possível graças a inúmeros progressos experimentais inovadores em nosso laboratório em Princeton”, acrescentou Hasan.

Isoladores topológicos

Um isolador topológico é o principal componente do dispositivo utilizado para investigar os segredos da topologia quântica. Este dispositivo único funciona como um isolante no seu interior, o que significa que os elétrons internos não estão livres de moverem-se, e portanto, não conduzem electricidade.

Mas os elétrons nas bordas do dispositivo estão livres de movimentarem-se, indicando que são conductores. Considerando as propriedades únicas da topologia, os elétrons que fluem ao longo das bordas não são obstruídos por quaisquer problemas ou deformações. Este dispositivo tem a perspectiva de aprimorar a tecnologia, e produzir uma maior compreensão da matéria por meio da sondagem de propriedades eletrónicas quânticas.

Somente agora, houve um obstáculo significativo na busca da utilização de materiais e dispositivos para aplicações em dispositivos práticos. “Há um grande interesse em materiais topológicos, e as pessoas frequentemente abordam o seu fantástico potencial para aplicações práticas”, afirmou Hasan, “ainda, até que algum efeito topológico quântico macroscópico possa ser revelado à temperatura ambiente, essas aplicações provavelmente continuarão a ser irrealizado.”

Isso ocorre porque as temperaturas ambiente ou altas produzem o que os físicos chamam de “ruído térmico”, que é descrito como um aumento na temperatura de tal forma que os átomos começam a vibrar fortemente. Essa acção pode interferir em sistemas quânticos frágeis, consequentemente colapsando o estado quântico. Em isoladores topológicos, em particular, essas temperaturas maiores geram um cenário em que os elétrons na superfície do isolador invadem o interior, ou “volume”, do isolador e accionam os elétrons alí presentes para também começarem a conduzir, o que enfraquece ou quebra o efeito quântico único.

Uma solução inteligente

A maneira de contornar isso, é expor tais experimentos a temperaturas extremamente frias, normalmente aproximadas a zéro absoluto. Nessas temperaturas extremamente baixas, as partículas atómicas e subatómicas param de vibrar, e como resultado, são mais fáceis de manipular. Criar e manter um ambiente ultrafrio é pouco prático para muitas aplicações; é caro, pesado e consome uma quantidade significativa de energia.

Hasan e o seu grupo criaram um método inovador para contornar esse problema. Com base em a sua experiência com materiais topológicos e ao trabalhar com muitos colaboradores, eles produziram um novo tipo de isolante topológico feito de brometo de bismuto (fórmula química: α-Bi4Br4), que é um composto inorgânico cristalino às vezes usado para tratamento de água e análises químicas.

“É simplesmente fantástico que os tenhamos descoberto sem grande pressão ou um campo magnético ultra-alto, tornando os materiais muito mais acessíveis para o desenvolvimento da tecnologia quântica da geração vindoura”, afirmou Nana Shumiya, que obteve o seu Ph.D. em Princeton, é uma pesquisadora associada de pós-doutorado em engenharia elétrica e de computação, e é uma dos três primeiros autores do artigo.

Ela acrescentou: “Acredito que a nossa descoberta avançará dramaticamente a fronteira quântica”.

A origem da descoberta está no funcionamento do efeito Hall quântico – um tipo de efeito topológico que rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1985. Desde então, as fases topológicas têm sido profundamente estudadas. Numerosas novas classes de materiais quânticos com estruturas electrónicas topológicas foram realmente encontradas, incluindo isoladores topológicos, supercondutores topológicos, ímãs topológicos e semimetais de Weyl.

A busca de uma década

Enquanto as descobertas experimentais aconteciam rapidamente, as descobertas teóricas também avançavam. Conceitos teóricos importantes sobre isoladores topológicos bidimensionais (2D) foram avançados em 1988 por F. Duncan Haldane, o professor de física da Sherman Fairchild University em Princeton.

Ele recebeu o Prémio Nobel de Física em 2016, por descobertas teóricas de transições de fase topológicas e um tipo de isoladores topológicos 2D. Seguindo os desenvolvimentos teóricos, mostra que os isoladores topológicos podem assumir a forma de 2 duplicatas do modelo de Haldane com base na interação spin-órbita do electrão.

Hasan e a sua equipe estão há uma década em busca de um estado quântico topológico que também possa funcionar à temperatura ambiente após a descoberta das instâncias iniciais de isoladores topológicos tridimensionais em 2007. Recentemente, eles descobriram uma solução de materiais para a conjectura de Haldane em um ímã de rede kagome que pode operar em temperatura ambiente, que exibe adicionalmente a quantização preferida.

“Os isoladores topológicos da rede kagome podem ser feitos para possuirem cruzamentos de bandas relativísticas, e fortes interações electrão- electrão. Ambos são necessários para um novo magnetismo”, disse Hasan. “Portanto, percebemos que os ímãs kagome são um sistema promissor para procurarmos as fases magnéticas topológicas, pois são como os isoladores topológicos que encontramos e estudamos há mais de dez anos”. “Uma química atómica adequada e um design de estrutura combinados com a teoria dos primeiros princípios, é o passo importante para tornar a previsão especulativa do isolador topológico sensível em um ambiente de alta temperatura”, afirmou Hasan. “Existem inúmeros materiais topológicos, e exigimos ao mesmo tempo intuição, experiência, cálculos específicos de materiais e esforços experimentais extremos para finalmente localizarmos o material apropriado para a exploração extensiva. O que nos levou a uma jornada de uma década a explorarmos muitos materiais à base de bismuto.”

Electrões em isolantes topológicos

Os isoladores, como os semicondutores, têm lacunas isolantes ou de banda. Essencialmente, trata-se de “barreiras” entre electrões em órbita, uma espécie de “terra de ninguém” onde os electrões não podem ir. Esses intervalos de banda são incrivelmente cruciais, pois, para citar algumas coisas, eles fornecem a chave para superarem a restrição de atingirem um estado quântico imposto pelo ruído térmico.

Eles fazem-no se a largura do intervalo de banda exceder a largura do ruído térmico. No entanto, um enorme intervalo de banda também pode interromper a combinação spin-órbita dos electrões – esta é a interação entre o spin do electrão e o seu movimento orbital ao redor do núcleo. Quando esta perturbação acontece, o estado quântico topológico rompe-se. Portanto, o truque para causar e preservar um efeito quântico é descobrir um equilíbrio entre um grande intervalo de banda, e os efeitos de acoplamento spin-órbita.

O ponto ideal

Seguindo uma proposta dos parceiros e coautores Fan Zhang e Yugui Yao para explorarem um tipo de metais Weyl, Hasan e o grupo pesquisaram a família de materiais de brometo de bismuto. O grupo não conseguiu observar os fenómenos de Weyl nesses materiais. Hasan e o seu grupo descobriram que o isolador de brometo de bismuto tem propriedades que o tornam muito mais ideal do que um isolador topológico baseado em bismuto-antimónio (ligas Bi-Sb) que eles estudaram no passado.

Possui um grande vazio isolante de mais de 200 meV (“mili electrão volts”). Isso é grande o suficiente para superar o ruído térmico, mas pequeno o suficiente para não interromper o efeito de combinação spin-órbita, e a topologia de inversão de banda.

“Neste caso, nos nossos experimentos, encontramos um equilíbrio entre efeitos de combinação de spin-órbita,e grande largura de banda”, afirmou Hasan. Descobrimos que existe um ‘ponto ideal’ onde podes ter uma combinação de spin-órbita razoavelmente grande para desenvolveres uma torção topológica e elevar a lacuna sem o destruir. É como um ponto de equilíbrio para os materiais à base de bismuto que viemos a estudamar há muito tempo.

Os cientistas sabiam que haviam realmente alcançado o seu objectivo quando observaram o que acontecia no experimento por meio de um microscópio de tunelamento de varredura de resolução subatómica. Este dispositivo em particular utiliza uma propriedade chamada “tunelamento quântico”, onde os electrões são canalizados entre o metal afiado, a ponta de átomo único do microscópio e a amostra.

O microscópio utiliza essa corrente de tunelamento em vez da luz para observar o mundo dos electrões na escala atómica. Os pesquisadores observaram um claro estado de borda de Hall de rotação quântica, uma das propriedades cruciais que existem distintamente nos sistemas topológicos. Isso exigiu uma nova instrumentação adicional para isolar o efeito topológico distintamente.

Materiais topológicos

“Pela primeira vez, demonstramos que existe uma classe de materiais topológicos à base de bismuto em que a topologia sobrevive tanto quanto a temperatura ambiente”, afirmou Hasan. “Estamos muito confiantes no nosso resultado.”

Esta descoberta é o culminar de vários anos de trabalho experimental arduamente conquistado, e exigiu sugestões de instrumentação única adicional a serem introduzidas nas experiências. Hasan tem sido um pesquisador líder em materiais topológicos quânticos experimentais com novas metodologias de experimentação há mais de 15 anos; e, de facto, estava entre os primeiros pesquisadores pioneiros do campo.

Entre 2005 e 2007, por exemplo, ele e sua equipe de cientistas descobriram a ordem topológica em um sólido a granel tridimensional de bismuto-antimónio, uma liga semicondutora e materiais topológicos Dirac relacionados, utilizando abordagens experimentais únicas. Isso levou à descoberta de materiais magnéticos topológicos. Entre 2014 e 2015, eles descobriram uma nova classe de materiais topológicos chamados semimetais magnéticos de Weyl.

Os cientistas acreditam que esta inovação, sem dúvida, abrirá as portas para as futuras possibilidades de estudo e aplicações em tecnologias quânticas.

“Achamos que essa descoberta pode ser o início do futuro desenvolvimento da nanotecnologia”, disse Shafayat Hossain, pesquisador associado de pós-doutorado no laboratório de Hasan e outro co-autor do estudo. “Há muitas possibilidades propostas em tecnologia topológica que aguardam, e localizar materiais apropriados combinados com instrumentação exclusiva está entre as chaves segredos para tal.” Uma área de pesquisa em que Hasan e a sua equipe acreditam que esse desenvolvimento terá, sem dúvida, um impacto particular nas tecnologias quânticas da geração vindoura. Os pesquisadores acreditam que essa nova inovação certamente accelerará o progresso de materiais quânticos mais eficientes e “verdes”

Isolantes topológicos e outros materiais

Actualmente, o foco teórico e experimental da equipe está concentrado em duas direções, disse Hasan.

Em primeiro lugar, os cientistas desejam identificar quais outros materiais topológicos podem funcionar à temperatura ambiente e, principalmente, fornecer a outros pesquisadores os dispositivos e técnicas de instrumentação exclusivas para distinguir materiais que certamente funcionarão em temperatura ambiente e altas.

Em segundo lugar, os pesquisadores querem continuar a penetrar no mundo quântico, pois essa descoberta tornou possível realizar experimentos em temperaturas maiores.

Essas pesquisas precisarão do desenvolvimento de outro conjunto de novas instrumentações e técnicas para aproveitar o potencial substancial desses materiais. “Vejo uma chance notável para uma exploração mais completa de fenómenos quânticos exóticos e complicados com nossa nova instrumentação, encontrando detalhes mais refinados em estados quânticos macroscópicos”, afirmou Hasan. “Que reconhece o que vamos descobrir?”

“A nossa pesquisa é um progresso real em mostrar o potencial de materiais topológicos para aplicações de poupança de energia”, acrescentou Hasan. “O que fizemos com esse experimento, foi plantar uma semente para estimular outros cientistas e engenheiros a sonharem alto.”

Leia o artigo original em PHYS.