Pela primeira vez, os físicos observaram novos efeitos quânticos em um isolante topológico à temperatura ambiente. Esse avanço, publicado como artigo de capa da edição de outubro da Nature Materials , ocorreu quando os cientistas de Princeton exploraram um material topológico baseado no elemento bismuto.

Os cientistas usaram isoladores topológicos para demonstrar efeitos quânticos por mais de uma década, mas este experimento é a primeira vez que esses efeitos foram observados à temperatura ambiente. Normalmente, induzir e observar estados quânticos em isoladores topológicos requer temperaturas em torno do zero absoluto, que é igual a -459 graus Fahrenheit (ou -273 graus Celsius).

Essa descoberta abre uma nova gama de possibilidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas eficientes, como a eletrônica baseada em spin, que pode substituir muitos sistemas eletrônicos atuais por maior eficiência energética.

Nos últimos anos, o estudo dos estados topológicos da matéria atraiu considerável atenção entre físicos e engenheiros e atualmente é o foco de muito interesse e pesquisa internacional. Essa área de estudo combina física quântica com topologia – um ramo da matemática teórica que explora propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não intrinsecamente alteradas.

"As novas propriedades topológicas da matéria surgiram como um dos tesouros mais procurados na física moderna, tanto do ponto de vista da física fundamental quanto para encontrar aplicações potenciais na engenharia quântica e nanotecnologias de próxima geração", disse M. Zahid Hasan , o professor de física Eugene Higgins da Universidade de Princeton, que liderou a pesquisa.

"Este trabalho foi possibilitado por vários avanços experimentais inovadores em nosso laboratório em Princeton", acrescentou Hasan.

O principal componente do dispositivo usado para investigar os mistérios da topologia quântica é chamado de isolante topológico. Este é um dispositivo único que atua como isolante em seu interior, o que significa que os elétrons dentro dele não estão livres para se movimentar e, portanto, não conduzem eletricidade.

No entanto, os elétrons nas bordas do dispositivo são livres para se movimentar, o que significa que são condutores. Além disso, devido às propriedades especiais da topologia, os elétrons que fluem ao longo das bordas não são prejudicados por nenhum defeito ou deformação. Este dispositivo tem o potencial não só de melhorar a tecnologia, mas também de gerar uma maior compreensão da própria matéria, sondando propriedades eletrônicas quânticas.

Até agora, no entanto, houve um grande obstáculo na busca de usar os materiais e dispositivos para aplicações em dispositivos funcionais. “Há muito interesse em materiais topológicos e as pessoas costumam falar sobre seu grande potencial para aplicações práticas”, disse Hasan, “mas até que algum efeito topológico quântico macroscópico possa se manifestar à temperatura ambiente, essas aplicações provavelmente permanecerão não realizadas”.

Isso ocorre porque as temperaturas ambientes ou altas criam o que os físicos chamam de "ruído térmico", que é definido como um aumento na temperatura de tal forma que os átomos começam a vibrar violentamente. Essa ação pode perturbar sistemas quânticos delicados, colapsando assim o estado quântico. Em isolantes topológicos, em particular, essas temperaturas mais altas criam uma situação em que os elétrons na superfície do isolante invadem o interior, ou "volume", do isolante e fazem com que os elétrons ali também comecem a conduzir, o que dilui ou quebra o efeito quântico especial.

A maneira de contornar isso é submeter tais experimentos a temperaturas excepcionalmente frias, normalmente no zero absoluto ou próximo dele. Nessas temperaturas incrivelmente baixas, as partículas atômicas e subatômicas param de vibrar e, consequentemente, são mais fáceis de manipular. No entanto, criar e manter um ambiente ultrafrio é impraticável para muitos aplicativos; é caro, volumoso e consome uma quantidade considerável de energia.

Mas Hasan e sua equipe desenvolveram uma maneira inovadora de contornar esse problema. Com base em sua experiência com materiais topológicos e trabalhando com muitos colaboradores, eles fabricaram um novo tipo de isolante topológico feito de brometo de bismuto (fórmula química ?-Bi 4 Br 4 ), que é um composto cristalino inorgânico usado às vezes para tratamento de água e análises químicas .

"É simplesmente fantástico encontrá-los sem uma pressão gigante ou um campo magnético ultra-alto, tornando os materiais mais acessíveis para o desenvolvimento de tecnologia quântica de próxima geração", disse Nana Shumiya, que obteve seu Ph.D. em Princeton, é pesquisador associado de pós-doutorado em engenharia elétrica e de computação e é um dos três co-primeiros autores do artigo.

Ela acrescentou: "Acredito que nossa descoberta avançará significativamente na fronteira quântica".

As raízes da descoberta estão no funcionamento do efeito Hall quântico - uma forma de efeito topológico que foi objeto do Prêmio Nobel de Física em 1985. Desde então, as fases topológicas têm sido intensamente estudadas. Muitas novas classes de materiais quânticos com estruturas eletrônicas topológicas foram encontradas, incluindo isolantes topológicos, supercondutores topológicos, ímãs topológicos e semimetais de Weyl.

Enquanto as descobertas experimentais estavam sendo feitas rapidamente, as descobertas teóricas também estavam progredindo. Conceitos teóricos importantes sobre isoladores topológicos bidimensionais (2D) foram apresentados em 1988 por F. Duncan Haldane, professor de física da Universidade Sherman Fairchild em Princeton.

Ele recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2016 por descobertas teóricas de transições de fase topológica e um tipo de isoladores topológicos 2D. Desenvolvimentos teóricos subsequentes mostraram que os isolantes topológicos podem assumir a forma de duas cópias do modelo de Haldane baseado na interação spin-órbita do elétron.

Hasan e sua equipe estão em uma busca de uma década por um estado quântico topológico que também pode operar à temperatura ambiente, após a descoberta dos primeiros exemplos de isolantes topológicos tridimensionais em 2007. Recentemente, eles encontraram uma solução de materiais para Haldane conjectura em um ímã de treliça kagome que é capaz de operar à temperatura ambiente, que também exibe a quantização desejada.

"Os isoladores topológicos de rede kagome podem ser projetados para possuir cruzamentos de bandas relativísticas e fortes interações elétron-elétron. Ambos são essenciais para um novo magnetismo", disse Hasan. "Portanto, percebemos que os ímãs kagome são um sistema promissor para procurar fases de ímãs topológicos, pois são como os isoladores topológicos que descobrimos e estudamos há mais de dez anos."

"Uma química atômica adequada e um projeto de estrutura acoplado à teoria dos primeiros princípios é o passo crucial para tornar a previsão especulativa do isolador topológico realista em um ambiente de alta temperatura", disse Hasan. "Existem centenas de materiais topológicos, e precisamos de intuição, experiência, cálculos específicos de materiais e intensos esforços experimentais para encontrar o material certo para uma exploração aprofundada. E isso nos levou a uma jornada de uma década de investigação de muitos materiais à base de bismuto."

Os isolantes, como os semicondutores, têm o que é chamado de isolante, ou banda, gaps. Estas são, em essência, "barreiras" entre os elétrons em órbita, uma espécie de "terra de ninguém" onde os elétrons não podem ir. Esses intervalos de banda são extremamente importantes porque, entre outras coisas, eles fornecem o pivô para superar a limitação de alcançar um estado quântico imposto pelo ruído térmico.

Eles fazem isso se a largura do intervalo de banda exceder a largura do ruído térmico. Mas um gap de banda muito grande pode potencialmente interromper o acoplamento spin-órbita dos elétrons – essa é a interação entre o spin do elétron e seu movimento orbital ao redor do núcleo. Quando essa ruptura ocorre, o estado quântico topológico entra em colapso. Portanto, o truque para induzir e manter um efeito quântico é encontrar um equilíbrio entre um grande band gap e os efeitos de acoplamento spin-órbita.

Seguindo uma proposta dos colaboradores e coautores Fan Zhang e Yugui Yao para explorar um tipo de metais Weyl, Hasan e sua equipe estudaram a família de materiais do brometo de bismuto. Mas a equipe não conseguiu observar os fenômenos de Weyl nesses materiais. Hasan e sua equipe descobriram que o isolador de brometo de bismuto tem propriedades que o tornam mais ideal em comparação com um isolador topológico baseado em bismuto-antimônio (ligas Bi-Sb) que eles estudaram antes.

Tem uma grande lacuna isolante de mais de 200 meV ("mili elétron-volts"). Isso é grande o suficiente para superar o ruído térmico, mas pequeno o suficiente para não interromper o efeito de acoplamento spin-órbita e a topologia de inversão de banda.

"Neste caso, em nossos experimentos, encontramos um equilíbrio entre os efeitos de acoplamento spin-órbita e grande largura de banda", disse Hasan. "Descobrimos que há um 'ponto ideal' onde você pode ter um acoplamento spin-órbita relativamente grande para criar uma torção topológica, bem como aumentar o intervalo de banda sem destruí-lo. É como um ponto de equilíbrio para os materiais à base de bismuto que estudamos há muito tempo."

Os pesquisadores sabiam que haviam alcançado seu objetivo quando viram o que estava acontecendo no experimento por meio de um microscópio de tunelamento de resolução subatômica, um dispositivo único que usa uma propriedade conhecida como "tunelamento quântico", onde os elétrons são canalizados entre as pontas metálicas afiadas , ponta de átomo único do microscópio e da amostra.

O microscópio usa essa corrente de tunelamento em vez da luz para ver o mundo dos elétrons na escala atômica. Os pesquisadores observaram um claro estado de borda Hall de spin quântico, que é uma das propriedades importantes que existem exclusivamente em sistemas topológicos. Isso exigiu nova instrumentação adicional para isolar exclusivamente o efeito topológico.

"Pela primeira vez, demonstramos que existe uma classe de materiais topológicos baseados em bismuto que a topologia sobrevive até a temperatura ambiente", disse Hasan. "Estamos muito confiantes em nosso resultado."

Esta descoberta é o culminar de muitos anos de trabalho experimental duramente conquistado e exigiu novas ideias de instrumentação adicionais a serem introduzidas nos experimentos. Hasan tem sido um pesquisador líder no campo de materiais topológicos quânticos experimentais com novas metodologias de experimentação por mais de 15 anos; e, de fato, foi um dos primeiros pesquisadores pioneiros do campo.

Entre 2005 e 2007, por exemplo, ele e sua equipe de pesquisadores descobriram a ordem topológica em um sólido tridimensional de bismuto-antimônio, uma liga semicondutora e materiais topológicos Dirac relacionados usando novos métodos experimentais. 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 pesquisadores acreditam que esse avanço abrirá as portas para uma série de futuras possibilidades de pesquisa e aplicações em tecnologias quânticas.

"Acreditamos que esta descoberta pode ser o ponto de partida para o desenvolvimento futuro da nanotecnologia", disse Shafayat Hossain, pesquisador associado de pós-doutorado no laboratório de Hasan e outro co-primeiro autor do estudo. “Tem havido tantas possibilidades propostas em tecnologia topológica que aguardam, e encontrar materiais apropriados juntamente com instrumentação inovadora é uma das chaves para isso”.

Uma área de pesquisa em que Hasan e sua equipe acreditam que esse avanço terá um impacto particular é nas tecnologias quânticas de próxima geração. Os pesquisadores acreditam que esse novo avanço acelerará o desenvolvimento de materiais quânticos mais eficientes e "mais verdes".

Atualmente, o foco teórico e experimental do grupo está concentrado em duas direções, disse Hasan.

Primeiro, os pesquisadores querem determinar quais outros materiais topológicos podem operar em temperatura ambiente e, mais importante, fornecer a outros cientistas as ferramentas e novos métodos de instrumentação para identificar materiais que operarão em temperatura ambiente e alta.

Em segundo lugar, os pesquisadores querem continuar a investigar mais profundamente o mundo quântico, agora que essa descoberta possibilitou a realização de experimentos em temperaturas mais altas.

Esses estudos exigirão o desenvolvimento de outro conjunto de novas instrumentações e técnicas para aproveitar plenamente o enorme potencial desses materiais. “Vejo uma tremenda oportunidade para uma exploração mais aprofundada de fenômenos quânticos exóticos e complexos com nossa nova instrumentação, rastreando detalhes mais sutis em estados quânticos macroscópicos”, disse Hasan. "Quem sabe o que vamos descobrir?"

"Nossa pesquisa é um verdadeiro passo à frente na demonstração do potencial dos materiais topológicos para aplicações de economia de energia", acrescentou Hasan. "O que fizemos aqui com este experimento foi plantar uma semente para encorajar outros cientistas e engenheiros a sonhar alto."