A descoberta de um novo fenômeno quântico em um material cristalino conhecido como "topologia híbrida" por físicos tem excelentes perspectivas para tecnologias quânticas de próxima geração.Os cientistas de Princeton examinaram um cristal sólido composto por átomos de arsênio (As) e fizeram a descoberta, que foi publicada na revista Nature em 10 de abril. Eles investigaram

A descoberta de um novo fenômeno quântico em um material cristalino conhecido como “topologia híbrida” por físicos tem excelentes perspectivas para tecnologias quânticas de próxima geração.Os cientistas de Princeton examinaram um cristal sólido composto por átomos de arsênio (As) e fizeram a descoberta, que foi publicada na revista Nature em 10 de abril.

Eles investigaram e capturaram imagens desse estado quântico distinto usando espectroscopia de fotoemissão e um microscópio de tunelamento de varredura (STM). Este estado apresenta um novo tipo de comportamento quântico topológico nunca observado no mesmo material antes, combinando estados de borda com estados de superfície. Esta é a primeira vez que esses comportamentos foram mostrados juntos, resultando em um estado único da matéria, mesmo que eles tenham sido vistos de forma independente em testes anteriores.

Nos últimos anos, o estudo dos estados topológicos da matéria tem atraído atenção significativa de engenheiros e físicos em todo o mundo. Esta área de estudo combina topologia – um ramo da matemática que estuda qualidades geométricas que podem ser alteradas sem afetar sua natureza subjacente – com a física quântica.

Cientistas estudam fenômenos quânticos estranhos em sólidos a granel usando materiais à base de bismuto (Bi) há mais de dez anos. Geralmente, esses materiais são compostos, como bismuto e selênio (Se).Mas este último experimento é o primeiro a mostrar consequências topológicas em cristais compostos inteiramente de átomos de arsênio (As).

Esta descoberta de novas propriedades topológicas em um material sólido simples é altamente significativa. Abre possibilidades interessantes para pesquisa fundamental e aplicações práticas em ciência e engenharia quânticas.

Os pesquisadores descobriram esses estados topológicos inesperados em cristais de arsênio usando métodos experimentais de ponta criados em seu laboratório de Princeton. Devido à sua simplicidade na síntese e limpeza, o bismuto tem sido o elemento mais investigado por suas características topológicas. No entanto, a descoberta no arsênio aponta para uma nova abordagem para esse tipo de pesquisa.

Pela primeira vez, pesquisadores demonstraram que ordens topológicas distintas também podem interagir e dar origem a novos e intrigantes fenômenos quânticos semelhantes aos correlacionados.

Materiais topológicos são necessários para desvendar os mistérios da topologia quântica. O interior desses materiais funciona como isolantes, impedindo que os elétrons se movam livremente e conduzam eletricidade. No entanto, as bordas do material são condutoras porque os elétrons são livres para se mover. O fascinante sobre esses elétrons de borda é que suas características topológicas únicas impedem que eles sejam impactados por falhas ou deformações.

Ao examinar as características eletrônicas quânticas da matéria, esse tipo de dispositivo pode aprofundar nossa compreensão da matéria e desenvolver tecnologia.

M. Zahid Hasan, professor de física da Universidade de Princeton, destacou como é intrigante usar materiais topológicos em aplicações do mundo real. No entanto, para que isso ocorra, são necessários dois avanços significativos. Primeiro, em temperaturas mais altas, deve-se ser capaz de ver fenômenos topológicos quânticos.Em segundo lugar, os pesquisadores devem encontrar materiais que possam exibir esses fenômenos topológicos. Esses materiais devem ser básicos e elementares, como o silício na eletrônica tradicional.

Com base nos fundamentos do efeito Hall quântico – um fenômeno topológico notável que recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1985 – materiais topológicos foram descobertos. Desde então, os cientistas pesquisaram fases topológicas e produziram vários materiais quânticos com estruturas eletrônicas distintas.

Cientistas notáveis nesta área incluem Daniel Tsui e F. Duncan Haldane, da Universidade de Princeton, premiados com prêmios Nobel por suas descobertas sobre transições de fase topológicas e o efeito Hall quântico.

O Dr. Hasan e seus colegas em Princeton têm investigado várias facetas de isolantes topológicos e caçado novos estados da matéria, seguindo seus passos. Encontrar os primeiros exemplos de isolantes topológicos tridimensionais em 2007 foi uma conquista significativa. Nos últimos dez anos, eles têm procurado um novo estado topológico que possa funcionar à temperatura ambiente.

Para explorar plenamente o potencial dos isolantes topológicos em aplicações do mundo real, o Dr. Hasan enfatiza a importância de integrar cálculos teóricos, projeto estrutural e química atômica. Isso exige uma compreensão completa dos materiais e experimentos extensivos para encontrar bons candidatos. Eles exploraram uma variedade de materiais à base de bismuto ao longo do caminho, o que produziu vários avanços significativos no campo dos materiais topológicos.

MateriAls baseados em bismuto podem teoricamente suportar um estado topológico da matéria a temperaturas muito altas.No entanto, eles precisam de preparação de material intrincado sob configurações de vácuo extremamente alto, portanto, os cientistas optaram por investigar vários métodos alternativos.Md. Shafayat Hossain, um pesquisador de pós-doutorado, propôs um cristal de arsênio porque ele pode ser gerado em uma forma mais limpa do que muitos compostos de bismuto.

Quando Hossain e Yuxiao Jiang, um estudante de pós-graduação no laboratório Hasan, transformaram o STM na amostra de arsênio, eles fizeram uma descoberta impressionante: o arsênico cinza, um tipo de arsênico de aparência metálica, hospeda simultaneamente estados topológicos de superfície e estados de borda.

O pesquisador de pós-doutorado Md. Shafayat Hossain disse: “Ficamos surpresos. O arsênio cinzento deveria ter apenas estados de superfície. Mas quando examinamos as bordas do degrau atômico, também encontramos belos modos de borda condutores.”

Jiang, um co-primeiro autor do trabalho, continuou: “Um modo de borda sem lacunas não deve existir em uma borda de passo monocamada isolada.

Cálculos feitos por Rajibul Islam, pesquisador de pós-doutorado na Universidade do Alabama em Birmingham, Alabama, e Frank Schindler, pós-doutorando e teórico da matéria condensada no Imperial College London, no Reino Unido, demonstram isso.

Schindler afirma: “Os estados de superfície hibridizam-se com os estados de gapped na borda e formam um estado sem lacunas quando uma borda é colocada sobre a amostra em massa.”

“É a primeira vez que vemos uma hibridização desse tipo.”

Fisicamente, nem isolantes topológicos sólidos nem de ordem superior sozinhos são previstos para exibir um estado sem lacunas na borda do degrau. Em vez disso, só é antecipado em materiais híbridos que exibem ambos os tipos de estrutura quântica. Este estado sem lacunas difere dos estados de dobradiça ou superfície em isolantes sólidos de ordem superior e topológicos. Consequentemente, a descoberta experimental da equipe de Princeton revelou um estado topológico que nunca havia sido observado antes.

David Hsieh, presidente da Divisão de Física da Caltech e pesquisador independente, enfatizou as novas conclusões da pesquisa. Ele destacou que alguns materiais podem estar simultaneamente em duas classes topológicas diferentes. Os estados de contorno dessas duas topologias podem potencialmente interagir e criar um novo estado quântico mais complicado.

Os pesquisadores empregaram medidas de microscópio de tunelamento de varredura e espectroscopia de fotoemissão de alta resolução resolvida em ângulo para validar ainda mais suas descobertas.

Algumas das medições de fotoemissão foram realizadas por Zi-Jia Cheng, estudante de pós-graduação do grupo Hasan e um dos co-primeiros autores do trabalho. Ele disse: “A amostra cinza As é muito limpa, e encontramos assinaturas claras de um estado de superfície topológico.”

Os pesquisadores investigaram a correlação única entre o volume, a superfície e a borda associada ao estado topológico híbrido integrando múltiplas metodologias experimentais, que confirmaram os resultados experimentais.

A descoberta tem duas implicações.Primeiro, observar o estado da superfície e o modo de borda topológica integrado abre a porta para a criação de novas vias de transporte de elétrons. Isso pode resultar na criação de novas ferramentas para computação quântica ou ciência da informação quântica.Os pesquisadores de Princeton mostraram que esses modos de borda topológica estão presentes apenas ao longo de configurações geométricas particulares que coincidem com as simetrias do cristal, fornecendo um método para construir diferentes tipos de futuros eletrônicos e nanodispositivos baseados em spin.

A sociedade ganha com a descoberta de novos materiais e qualidades ao olhar para as coisas de forma mais ampla.A descoberta de sólidos elementares como plataformas materiais no campo dos materiais quânticos – como bismuto para topologia de ordem superior ou antimônio para topologia robusta – provocou a criação de materiais inovadores que melhoraram significativamente o estudo de materiais topológicos.

“Prevemos que o arsênio, com sua topologia única, sirva como uma nova plataforma para o desenvolvimento de novos materiais topológicos e dispositivos quânticos que atualmente não são alcançáveis por meio de plataformas existentes.” observou Hasan. “Isso abre uma nova e empolgante fronteira na ciência dos materiais e na nova física!”

Referência da revista:

  1. Md Shafayat Hossain, Frank Schindler, Rajibul Islam, Zahir Muhammad et al. Natureza. DOI: 10.1038/s41586-024-07203-8
Atualizado em by Margarete Mayoral
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