A realização de fases quânticas macroscópicas à temperatura ambiente é uma das atividades significativas da física fundamental. A fase Hall de spin quântico é uma fase quântica topológica que apresenta um volume isolante bidimensional e um estado de borda helicoidal.
Num novo estudo, os cientistas de Princeton relataram novos efeitos quânticos num isolador topológico à temperatura ambiente. Este experimento é a primeira vez que esses efeitos foram observados à temperatura ambiente. Temperaturas próximas do zero absoluto, ou -459 graus Fahrenheit, são geralmente necessárias para induzir e observar estados quânticos em isoladores topológicos (ou -273 graus Celsius).
Esta descoberta abre um novo conjunto de oportunidades para a criação de tecnologias quânticas eficazes, como a eletrônica baseada em spin, que tem o potencial de substituir muitos sistemas eletrônicos existentes em favor de outros que utilizam menos energia.
M. Zahid Hasan, professor de física Eugene Higgins na Universidade de Princeton, que liderou a pesquisa, disse: “O romance topológico propriedades da matéria emergiram como um dos tesouros mais procurados da física moderna, tanto do ponto de vista da física fundamental quanto para encontrar aplicações potenciais na engenharia quântica e nas nanotecnologias da próxima geração.”
“Este trabalho foi possibilitado por vários avanços experimentais inovadores em nosso laboratório em Princeton.”
Os isoladores topológicos são o principal elemento do dispositivo utilizado para aprofundar os mistérios da topologia quântica. Este é um dispositivo especial porque o interior atua como um isolante, impedindo que os elétrons se movam livremente e conduzam eletricidade.
No entanto, as bordas do dispositivo possuem elétrons em movimento livre, indicando que são condutores. Além disso, os elétrons que se movem ao longo das bordas não são impedidos por quaisquer falhas ou deformações devido às características únicas da topologia. Ao examinar as propriedades elétricas quânticas, este dispositivo tem o potencial de avançar a tecnologia e, ao mesmo tempo, promover um conhecimento mais profundo da própria matéria.
Hassan disse: “Até agora, porém, tem havido um grande obstáculo na busca pelo uso de materiais e dispositivos para aplicações em dispositivos funcionais. Há muito interesse em materiais topológicos e muitas vezes as pessoas falam sobre seu grande potencial para aplicações práticas. Ainda assim, estas aplicações provavelmente permanecerão não realizadas até que algum efeito topológico quântico macroscópico possa se manifestar à temperatura ambiente.”
Isto se deve ao fenômeno conhecido como “ruído térmico”, que os físicos definem como um aumento da temperatura a ponto de os átomos começarem a vibrar violentamente. Esta operação pode colapsar o estado quântico ao perturbar sistemas quânticos frágeis. Particularmente com isoladores topológicos, estas temperaturas mais elevadas levam a uma situação em que o elétrons na superfície do isolador invadem o interior, ou “volume”, do isolador e induzem os elétrons ali também a começarem a conduzir, diluir ou quebrar o efeito quântico único.
Isto pode ser evitado expondo tais experimentos a temperaturas rasas, geralmente iguais ou próximas do zero absoluto. Partículas atômicas e subatômicas param de vibrar nessas temperaturas rasas, tornando-as mais fáceis de controlar. Para muitas aplicações, criar e manter um ambiente ultrafrio não é viável porque isso é caro, grande e consome muita energia.
Os cientistas daqui descobriram uma forma inovadora de contornar este problema. Eles fabricaram um novo isolante topológico a partir de brometo de bismuto (fórmula química α-Bi4Br4). É um composto cristalino inorgânico às vezes usado para tratamento de água e análises químicas.
Nana Shumiya, que obteve seu doutorado. em Princeton, disse: “É simplesmente fantástico que os tenhamos encontrado sem pressão gigante ou campo magnético ultra-alto, tornando assim os materiais mais acessíveis para desenvolvimento. tecnologia quântica de última geração. Acredito que a nossa descoberta avançará significativamente a fronteira quântica.”
Hassan disse: “Os isoladores topológicos da rede Kagome podem ser projetados para possuir cruzamentos de bandas relativísticas e fortes interações elétron-elétron. Ambos são essenciais para o romance magnetismo. Portanto, percebemos que os ímãs Kagome são um bom sistema para procurar fases magnéticas topológicas, pois são como os isolantes 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 realista a previsão especulativa do isolador topológico em um ambiente de alta temperatura. 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 investigando muitos materiais à base de bismuto.”
Hasan e seus colegas investigaram a família de compostos chamados brometo de bismuto em resposta a uma proposta dos colaboradores e coautores Fan Zhang e Yugui Yao para investigar uma classe específica de metais Weyl. O fenómeno Weyl, no entanto, não era visível para os investigadores nestes materiais. Em vez disso, Hasan e sua equipe descobriram que o isolador de brometo de bismuto possui características que o tornam mais desejável do que os isoladores topológicos (ligas Bi-Sb) baseados em antimônio de bismuto que eles haviam pesquisado anteriormente.
Possui uma lacuna isolante considerável de mais de 200 meV (“mili elétron-volts”). Isto é grande o suficiente para superar o ruído térmico, mas pequeno o suficiente para não perturbar o efeito de acoplamento spin-órbita e a topologia de inversão de banda.
Hassan disse: “Neste caso, em nossos experimentos, encontramos um equilíbrio entre os efeitos do acoplamento spin-órbita e grande largura de banda. Descobrimos que existe um “ponto ideal” onde você pode ter um acoplamento spin-órbita relativamente grande para criar uma torção topológica, bem como aumentar o gap sem destruí-lo. É como um ponto de equilíbrio para os materiais à base de bismuto que estudamos há muito tempo.”
Quando puderam ver o que estava acontecendo no experimento com resolução subatômica usando um microscópio de tunelamento de varredura, uma ferramenta especial que faz uso do fenômeno conhecido como “tunelamento quântico”, onde os elétrons são direcionados entre a ponta metálica afiada de um único átomo do microscópio e a amostra, os cientistas sabiam que haviam conseguido seu objetivo.
Hassan disse: “Pela primeira vez, demonstramos uma classe de materiais topológicos à base de bismuto cuja topologia sobrevive até a temperatura ambiente. Estamos muito confiantes no nosso resultado.”
“Os pesquisadores acreditam que esta descoberta abrirá as portas para futuras possibilidades de pesquisa e aplicações em tecnologias quânticas.”
Shafayat Hossain, pesquisador associado de pós-doutorado no laboratório de Hasan e outro co-autor do estudo, disse: “Acreditamos que esta descoberta pode ser o ponto de partida para o desenvolvimento futuro da nanotecnologia. Tem havido tantas possibilidades propostas em tecnologia topológica que aguardam, e encontrar materiais apropriados juntamente com instrumentação nova é uma das chaves para isso.”
“Atualmente, o foco teórico e experimental do grupo está concentrado em duas direções: primeiro, queremos determinar quais outros materiais topológicos podem operar à temperatura ambiente e, mais importante, fornecer a outros cientistas as ferramentas e novos métodos de instrumentação para identificar materiais que funcionará em temperaturas ambientes e altas.”
“Em segundo lugar, queremos continuar a investigar mais profundamente o mundo quântico, agora que esta descoberta tornou possível a realização de experiências a temperaturas mais elevadas.”
Hasan dito, “Esses estudos exigirão o desenvolvimento de outro conjunto de novos instrumentos e técnicas para aproveitar plenamente o enorme potencial desses materiais. Com a nossa nova instrumentação, vejo uma tremenda oportunidade para uma exploração mais aprofundada de fenómenos quânticos exóticos e complexos, rastreando detalhes mais sutis em estados quânticos macroscópicos. Quem sabe o que descobriremos?
“Nossa pesquisa é um verdadeiro avanço na demonstração do potencial dos materiais topológicos para aplicações de economia de energia. O que fizemos aqui com esta experiência foi plantar uma semente para encorajar outros cientistas e engenheiros a sonharem grande.”
Jornal de referência:
- Nana Shumiya et al., Evidência de um estado de borda Hall de spin quântico à temperatura ambiente em um isolante topológico de ordem superior, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
