Mova-se sobre Godzilla vs. King Kong. Este éo evento que vocêestava esperando, pelo menos se vocêéum fa­sico de matéria condensada. Pesquisadores da Universidade de Harvard demonstraram o primeiro material que pode ter interações elanãtricas fortemente correlacionadas e propriedades topola³gicas.

Nãotenho certeza o que isso significa? Nãose preocupe, vamos orienta¡-lo. Mas o importante ésaber que essa descoberta não apenas abre caminho para uma computação qua¢ntica mais esta¡vel, mas também cria uma plataforma totalmente nova para explorar o mundo selvagem da física exa³tica.

A pesquisa foi publicada na Nature Physics .

Vamos comea§ar com o ba¡sico. Isoladores topola³gicos são materiais que podem conduzir eletricidade em suasuperfÍcie ou borda, mas não no meio. O estranho desses materiais éque, não importa como vocêos corta, asuperfÍcie sempre estara¡ conduzindo e o meio sempre isolante. Esses materiais oferecem um playground para a física fundamental e também são promissores para diversas aplicações em tipos especiais de eletra´nica e computação qua¢ntica.

Desde a descoberta dos isoladores topola³gicos, pesquisadores de todo o mundo vão trabalhando para identificar materiais com essas propriedades poderosas.

"Um recente boom da física da matéria condensada veio da descoberta de materiais com propriedades topologicamente protegidas", disse Harris Pirie, estudante de graduação do Departamento de Fa­sica e primeiro autor do artigo.

Um material em potencial, o hexabora­deo de sama¡rio, estãono centro de um feroz debate entre os fa­sicos de matéria condensada hámais de uma década. Em questão: éou não um isolador topola³gico?

"Nos últimos 10 anos, um monte de papanãis saiu dizendo sim e um monte de papanãis saiu dizendo não", disse Pirie. “O ponto crucial da questãoéque a maioria dos materiais topola³gicos não possui elanãtrons que interagem fortemente, o que significa que os elanãtrons se movem rápido demais para se sentirem. Mas o hexaborida de sama¡rio sim, o que significa que os elanãtrons dentro deste material diminuem o suficiente para interagir fortemente. Nesse campo, a teoria se torna bastante especulativa e não estãoclaro se épossí­vel ou não que materiais com propriedades fortemente interativas também sejam topola³gicos. Como experimentalistas, temos operado amplamente a s cegas com materiais como este. ”

A fim de resolver o debate e descobrir, de uma vez por todas, se épossí­vel ter propriedades fortemente interativas e topola³gicas, os pesquisadores primeiro precisaram encontrar um trecho bem ordenado dasuperfÍcie de hexabora­deo de sama¡rio na qual realizar o experimento.

Nãofoi tarefa fa¡cil, considerando que a maior parte dasuperfÍcie do material éuma baguna§a irregular e desordenada. Os pesquisadores usaram ferramentas de medição de alta­ssima precisão, desenvolvidas no laboratório de Jenny Hoffman, professora de ciências de Clowes e principal autor do artigo, para encontrar uma amostra adequada e em escala atômica de hexaborida de sama¡rio.

Em seguida, a equipe decidiu determinar se o material estava isolando topologicamente, enviando ondas de elanãtrons atravanãs do material e dispersando-os em defeitos ata´micos - como jogar uma pedra em uma lagoa. Observando as ondas, os pesquisadores puderam descobrir o momento dos elanãtrons em relação a  sua energia.

"Descobrimos que o momento dos elanãtrons édiretamente proporcional a  sua energia, que éa arma de fumaa§a de um isolador topola³gico", disse Pirie. “a‰ realmente emocionante finalmente entrar nessa interseção entre a física interativa e a física topola³gica. Nãosabemos o que vamos encontrar aqui.

No que se refere a  computação qua¢ntica, os materiais topola³gicos com forte interação podem proteger os qubits do esquecimento de seu estado qua¢ntico, um processo chamado decoeraªncia.

"Se pudanãssemos codificar as informações qua¢nticas em um estado topologicamente protegido, elas são menos suscetíveis a rua­dos externos que podem acidentalmente mudar o qubit", disse Hoffman. “A Microsoft já tem uma grande equipe buscando a computação qua¢ntica topola³gica em materiais compostos e nanoestruturas. Nosso trabalho demonstra o primeiro de um aºnico material topola³gico que utiliza fortes interações elanãtricas que podem eventualmente ser usadas para a computação qua¢ntica topola³gica. ”

"O pra³ximo passo seráusar a combinação de estados qua¢nticos topologicamente protegidos e fortes interações para projetar novos estados qua¢nticos da matéria, como supercondutores topola³gicos", disse Dirk Morr, professor de física da Universidade de Illinois, Chicago, e o saªnior tea³rico no papel. "Suas propriedades extraordina¡rias podem abrir possibilidades sem precedentes para a implementação de bits qua¢nticos topola³gicos".

Esta pesquisa foi co-autor de Yu Liu, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang He, MM Yee, PFS Rosa, JD Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione e MH Hamidian.

As medições eletra´nicas em Harvard e o crescimento de cristais de hexabora­deo de sama¡rio na UC Irvine foram apoiados pela National Science Foundation. O crescimento de cristais na Universidade de Maryland foi apoiado pela Fundação Gordon & Betty Moore. Medidas magnanãticas no Los Alamos National Lab e trabalho tea³rico na Universidade de Illinois foram apoiadas pelo Departamento de Energia.