Um novo estudo fornece as primeiras evidaªncias departículas exa³ticas, conhecidas como quasiparta­culas topola³gicas qua¡druplas, na liga meta¡lica de monossilicida de cobalto. Publicado nos Proceedings of the National Academy of Sciences , esta análise abrangente, que combina dados experimentais com modelos teóricos, fornece uma compreensão detalhada deste material. Esses insights podem ser usados ​​para projetar este e outros materiais semelhantes com propriedades únicas e controla¡veis. A descoberta foi resultado de uma colaboração entre pesquisadores da Penn, da Universidade de Friburgo, do Centro Nacional Francaªs de Pesquisa Cienta­fica (CNRS), do Instituto Max Planck de Fa­sica Quí­mica de Sa³lidos e da Universidade de Maryland.

As teorias que sustentam os isoladores topola³gicos , materiais com umasuperfÍcie condutiva e um núcleo isolante, foram lascadas por Charlie Kane e Eugene Mele da Penn, vencedores do Praªmio Revelação de Fa­sica Fundamental de 2019. Por meio de suas contribuições tea³ricas sobre topologia e simetria, Kane e Mele postularam a existaªncia dessa nova classe de materiais, que poderiam ser usados ​​para criar plataformas eletra´nicas ou de computação qua¢ntica de alta eficiência.

"Mas o desejo de todos os teóricos éque seu trabalho seja traduzido para o mundo real ", diz o qua­mico Andrew M. Rappe, que colabora com Kane e Mele em maneiras de descobrir materiais do mundo real que tenham essas propriedades exa³ticas. "A recente contratação do professor Liang Wu leva nosso grupo de física topola³gica a um novo na­vel, onde podemos entender os materiais e observar suas propriedades, tudo em um ciclo estreito e colaborativo."

Desde que chegou a  Penn em 2018, Wu e seu laboratório tem usado experimentos a³pticos para estudar como a luz interage com materiais topola³gicos e estãointeressados ​​em validar algumas das teorias existentes sobre essa classe de materiais. No ano passado, o estudante Zhuoliang Ni estava conduzindo experimentos de laser de pulso de luz com monossilicida de cobalto (CoSi) para entender melhor a relação entre a topologia e a a³ptica não linear e para ver se eles poderiam usar esse material para converter luz em corrente elanãtrica. Os dados que coletaram parecem sugerir que pode haver algumas caracteri­sticas topola³gicas únicas do CoSi. "Percebi que hálgo interessante na condutividade a³ptica por si são", disse Wu, que então procurou Mele e Rappe sobre o desenvolvimento de uma teoria para ajudar a explicar os resultados de seu experimento.

Embora o CoSi já tenha sido estudado antes, os novos dados coletados pelo laboratório de Wu eram de qualidade superior ao trabalho anterior, permitindo aos pesquisadores desenvolver um modelo que fornecesse uma explicação mais robusta de suas descobertas.

“As previsaµes da física topola³gica sugeriram que este material deveria ter algumas propriedades excitantes, como a condutividade a³ptica linear com o aumento da energia do fa³ton, mas um material real tem muitos fena´menos acontecendo ao mesmo tempo”, diz Rappe. "Os teóricos gradualmente tornam seu modelo mais complicado e realista, e os experimentalistas consideram outras caracteri­sticas para simplificar a apresentação experimental. a‰ assim que chegamos a um acordo sobre quais caracteri­sticas podem ser atribua­das a s propriedades topola³gicas."

Depois de quase um ano analisando dados e iterando em diferentes teorias, uma das coisas que se destacou foi a concorda¢ncia entre esses modelos, do simples ao complexo. “a‰ surpreendente ver essenívelde concorda¢ncia para nosmesmos”, diz o estudante de graduação Zhenyao Fang, que liderou a parte tea³rica deste estudo. "Alguns modelos são puramente derivados de teorias físicas e alguns são modelos numanãricos derivados de manãtodos de primeiros princa­pios, então ésurpreendente observar esse tipo de acordo entre eles."

Agora, graças a uma combinação de dados mais limpos e modelos teóricos robustos , essa coesão entre a teoria e os experimentos demonstrados neste artigo representa um grande passo a  frente, diz Wu. “A concorda¢ncia entre experimento e teoria éextremamente boa”, acrescenta. "Aqui nosfornecemos um exemplo de uma combinação abrangente de experimento e compreensão tea³rica, e isso pode ser aplicado a muitos outros novos materiais ou sistemas que sera£o descobertos no futuro."

Como o CoSi pertence a uma familia de materiais com uma estrutura de cristal muito comum, o material pode ser usado em ligas com magnetismo que são projetadas para ter propriedades magnanãticas topola³gicas mais complexas devido a  capacidade de controlar seu projeto a¡tomo por a¡tomo.

Este trabalho também éuma vitrine da experiência de Penn em física topola³gica e abre caminho para o futuro progresso experimental e tea³rico neste campo na Universidade, diz Rappe. “Agora temos um grupo vibrante que une esforços em eletra´nica topola³gica e fota´nica”, diz ele. "A física topola³gica estãocrescendo e abrimos um caminho que outras pessoas podem seguir com outros materiais para projetar propriedades optoeletra´nicas desejáveis."