'Assinatura' de superfície poderia distinguir isoladores topológicos exóticos – Physics World

Uma “assinatura de superfície” recém-descoberta de materiais conhecidos como isolantes topológicos de ordem superior poderia torná-los mais fáceis de identificar – uma tarefa que tem se mostrado desafiadora até agora. A técnica, que foi desenvolvida por investigadores nos EUA, França, China e Irlanda, envolveria a medição de alterações na polarização de um feixe de luz que chega à medida que este se reflecte na superfície do material. Embora ainda não tenha sido demonstrada experimentalmente, a técnica pode ser útil para o desenvolvimento de computadores quânticos e dispositivos spintrônicos que explorem as propriedades desses materiais incomuns.

Descobertos em 2008, os isolantes topológicos são materiais que conduzem eletricidade muito bem ao longo de suas bordas ou superfícies, ao mesmo tempo que atuam como isolantes em seu volume. Em alguns isoladores topológicos, a corrente elétrica do estado de borda induz uma corrente de spin transversal. Esses materiais são conhecidos como sistemas Hall de spin quântico por analogia com o mais conhecido efeito Hall quântico, no qual fortes campos magnéticos induzem a corrente elétrica a fluir ao longo da borda de um semicondutor.

Dentro dos estados extremos de um isolante topológico, os elétrons só podem viajar em uma direção. Ao contrário dos condutores normais, eles não retroespalham. Este comportamento notável permite que isoladores topológicos transportem corrente elétrica com dissipação próxima de zero – uma propriedade que atrai considerável interesse entre os desenvolvedores de dispositivos eletrônicos, que esperam explorá-la para tornar tais dispositivos muito mais eficientes em termos energéticos do que são hoje.

Ao longo da última década, materiais topológicos adicionais (incluindo semimetais de Dirac, semimetais de Weyl e isolantes axiônicos) surgiram com propriedades ainda mais estranhas. Mais recentemente, teorizou-se que existem materiais que são isolantes em seu volume, em suas superfícies e ao longo de suas bordas, mas conduzem nas dobradiças ou cantos. Os estados de dobradiça nesses chamados isolantes topológicos de ordem superior (HOTIs) são interessantes para o estudo da spintrônica porque a direção da propagação dos elétrons neles está relacionada ao spin dos elétrons. Os HOTIs também são promissores para os férmions de Majorana, que têm aplicações em computação quântica tolerante a falhas – desde que possa ser definitivamente comprovada sua existência.

Difícil distinguir de outros efeitos

Em princípio, os HOTIs são altamente distintivos porque apenas conduzem eletricidade ao longo de linhas unidimensionais na sua superfície – isto é, ao longo do limite de uma fronteira. Na prática, contudo, são difíceis de detectar porque outros fenómenos (incluindo defeitos cristalinos numa amostra) podem produzir assinaturas experimentais semelhantes. Para complicar a situação, prevê-se que as propriedades HOTI ocorram apenas em materiais com um grau de simetria invulgarmente elevado, explica Barry Bradlyn, um físico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, EUA, que co-liderou o novo estudo. “Isso requer estruturas cristalinas que são irrealisticamente perfeitas e, até agora, apenas alguns materiais, incluindo o elemento bismuto, demonstraram assinaturas experimentais consistentes com esta categoria de material”, diz Bradlyn.

Em seu trabalho, detalhado em Natureza das Comunicações, Bradlyn e colegas analisaram os elétrons que se propagavam pela maior parte de um HOTI, concentrando-se no spin dos elétrons, que pode ser para cima ou para baixo. Se uma tensão elétrica fosse aplicada à amostra, esses dois estados de spin se acumulariam em lados opostos. Os pesquisadores calcularam que esta configuração de spin produziria uma assinatura mensurável por meio de um fenômeno conhecido como efeito Kerr magneto-óptico, no qual a polarização de um feixe de luz que chega muda quando ele reflete na superfície de uma amostra.

De acordo com os cálculos da equipe, a mudança de polarização resultante de cada estado de spin na superfície de um material HOTI seria exatamente a metade daquela esperada para uma superfície isolante 2D comum. “Esta resposta 'resolvida por spin' na superfície é emocionante”, diz Bradlyn, “pois fornece a primeira previsão para uma assinatura experimental robusta para materiais HOTI”.

As propriedades dos HOTIs que a equipe identificou neste trabalho podem ser muito úteis na computação quântica e em dispositivos spintrônicos, continua Bradlyn, embora os pesquisadores precisassem primeiro vê-los em um experimento. “Esperamos que nosso estudo mostre que o interior e as superfícies dos materiais topológicos ainda abrigam muitas características misteriosas e vantajosas se você souber como procurá-las”, diz ele.

Os pesquisadores estão agora tentando estender seu formalismo para analisar isoladores cristalinos topológicos protegidos por outras simetrias. “Também estaremos investigando sistemas supercondutores”, disse Bradlyn Mundo da física.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/