Uma tabela periódica para materiais topológicos

O que é um material topológico?

Os materiais topológicos mais interessantes são os isolantes topológicos, que são materiais isolantes no volume, mas condutores na superfície. Nestes materiais, os canais condutores por onde flui a corrente eletrônica são muito robustos. Eles persistem independentemente de alguns distúrbios externos que podem ocorrer em experimentos, como desordem fraca ou flutuações de temperatura, e também são independentes do tamanho. Isto é muito interessante porque significa que estes materiais têm uma resistência constante, uma condutividade constante. Ter um controle tão rígido da corrente eletrônica é útil para muitas aplicações.

Quais são alguns exemplos de isoladores topológicos?

O exemplo mais conhecido é provavelmente o arsenieto de gálio, que é um semicondutor bidimensional frequentemente usado em experimentos sobre o efeito Hall quântico inteiro. Na nova geração de isoladores topológicos, o mais conhecido é o seleneto de bismuto, mas este não ganhou tanta atenção generalizada.

Por que você e seus colegas decidiram procurar novos materiais topológicos?

Na época, havia apenas alguns deles no mercado e pensamos: “Ok, se pudermos desenvolver um método que possa calcular ou diagnosticar a topologia rapidamente, poderemos ver se existem materiais com propriedades mais otimizadas”.

Um exemplo de propriedade otimizada é o band gap eletrônico. O fato de esses materiais serem isolantes em massa significa que, em massa, há uma faixa de energias pelas quais os elétrons não conseguem passar. Essa faixa de energia “proibida” é o band gap eletrônico, e os elétrons não podem viajar nessa região, embora possam existir na superfície do material. Quanto maior for o band gap eletrônico do material, melhor será o isolante topológico.

Como você procurou novos materiais topológicos?

Desenvolvemos um algoritmo baseado nas simetrias cristalinas de um material, algo que não foi levado em consideração antes. A simetria do cristal é muito importante quando se trata de topologia porque certos materiais topológicos e algumas fases topológicas precisam de uma simetria particular (ou falta de simetria) para existir. Por exemplo, o efeito Hall quântico inteiro não precisa de nenhuma simetria, mas precisa de uma simetria para ser quebrada, que é a simetria de reversão de tempo. Isso significa que o material precisa ser magnético ou precisamos de um campo magnético externo muito grande.

Mas outras fases topológicas precisam de simetrias, e conseguimos identificar quais simetrias eram. Então, uma vez identificadas todas as simetrias, poderíamos classificá-las – porque, no final das contas, é isso que os físicos fazem. Classificamos as coisas.

Começamos a trabalhar na formulação teórica em 2017 e, dois anos depois, publicamos o primeiro artigo relacionado a essa formulação teórica. Mas só agora finalmente concluímos tudo e publicou.

Quem foram seus colaboradores neste esforço e como cada pessoa contribuiu?

Projetei (e, em parte, executei) os cálculos de primeiros princípios nos quais consideramos como simular materiais reais e “diagnosticar” se eles tinham propriedades topológicas. Para isso, utilizamos códigos de última geração e códigos caseiros que nos dizem como os elétrons do material se comportam e como podemos classificar as propriedades topológicas do material. A formulação e análise teórica foram feitas por Benjamim Wieder e Luis Elcoro porque são físicos teóricos mais radicais. Eles ajudaram na análise e classificação das fases topológicas. Outro colaborador muito importante e protagonista deste projeto foi Nicolas Regnault; construímos o site juntos e cuidamos do design do site e do banco de dados.

Também tivemos ajuda de Stuart Parkin e Claudia Feliser. Eles são especialistas em materiais, por isso podem nos aconselhar sobre se um material é adequado ou não. E então Andrei Bernevig era o coordenador de tudo. Já trabalhávamos juntos há vários anos.

E o que você achou?

O que descobrimos é que existem muitos, muitos materiais que possuem propriedades topológicas – dezenas de milhares deles.

Você ficou surpreso com o número?

Sim. Muito!

Considerando o quão onipresentes essas propriedades topológicas se revelaram, parece quase surpreendente que você tenha ficado surpreso. Por que ninguém percebeu antes?

Não sei por que a comunidade não percebeu isso completamente, mas não foi apenas a nossa comunidade dentro da ciência dos materiais e da física da matéria condensada que não percebeu. A mecânica quântica já existe há um século e essas propriedades topológicas são sutis, mas não são muito complexas. No entanto, todos os “pais” inteligentes da mecânica quântica perderam completamente esta formulação teórica.

Alguém já tentou sintetizar esses materiais e verificar se eles realmente se comportam como isolantes topológicos?

Nem todos foram verificados, é claro, porque são muitos. Mas alguns deles sim. Existem novos materiais topológicos que foram criados experimentalmente após este trabalho, como o isolador topológico de alta ordem Bi4Br4.

A Banco de dados de materiais topológicos você e seus colegas construíram foi descrito como “uma tabela periódica para materiais topológicos”. Quais propriedades determinam sua estrutura?

As propriedades topológicas estão relacionadas à corrente eletrônica, que é uma propriedade global do material. Uma das razões pelas quais os físicos talvez não tenham pensado em topologia antes é que eles estavam muito focados nas propriedades locais, e não nas globais. Portanto, neste sentido, a propriedade importante está relacionada com a localização da carga e como a carga é definida no espaço real.

O que descobrimos é que se conhecermos as simetrias cristalinas do material, podemos antecipar qual será o comportamento da carga ou do fluxo. E é assim que poderíamos classificar as fases topológicas.

Como funciona o Banco de Dados de Materiais Topológicos? O que os pesquisadores fazem quando o usam?

Primeiro, eles inserem a fórmula química do material. Por exemplo, se você estiver interessado em sal, a fórmula é cloreto de sódio. Então você coloca o NaCl no banco de dados e clica, e então todas as propriedades aparecem. É muito simples.

Espere, você está dizendo que o sal de cozinha comum é um material topológico?

Sim.

Sério?

Sim.

Isso é incrível. Além de surpreender as pessoas com as propriedades topológicas de materiais familiares, que impacto você espera que seu banco de dados tenha no campo?

Espero que ajude os experimentalistas a descobrir quais materiais devem cultivar. Agora que analisamos todo o espectro de todas as propriedades dos materiais, os experimentalistas deveriam ser capazes de dizer: “Ok, este material está num regime de transporte de elétrons que sabemos que não é bom, mas se eu o dopar com alguns elétrons, então iremos alcançar um regime muito interessante.” Portanto, esperamos, de certa forma, que ajude os experimentalistas a encontrar bons materiais.

Muita atenção tem sido dada aos materiais topológicos recentemente por causa de uma possível ligação com a computação quântica. Isso é um grande motivador no seu trabalho?

Está relacionado, mas cada área tem ramos diferentes, e eu diria que nosso trabalho está em um ramo diferente. Claro, você precisa de um material topológico como plataforma para desenvolver um computador quântico topológico usando qualquer um dos possíveis qubits (bits quânticos) que foram propostos, então o que fizemos é importante para isso. Mas o desenvolvimento de um computador quântico topológico exigirá muito mais trabalho no design de materiais porque a dimensão do material desempenha um papel importante. Estávamos olhando para três dimensões e pode ser que, para plataformas de computação quântica, precisássemos nos concentrar em sistemas 2D.

Existem outras aplicações, no entanto. Você poderia usar o banco de dados para encontrar materiais para células solares, por exemplo, ou para catálise, detectores ou dispositivos eletrônicos de baixa dissipação. Além das aplicações superexóticas, essas possibilidades do dia a dia também são muito importantes. Mas a nossa verdadeira motivação para o trabalho foi compreender a física da topologia.

Ubiquidade de materiais topológicos revelados em catálogos contendo milhares de substâncias

O que vem por aí para você e seus colaboradores?

Eu gostaria de fazer pesquisas sobre materiais orgânicos. O foco no banco de dados atual está em materiais inorgânicos porque tomamos o banco de dados de estrutura cristalina inorgânica como ponto de partida, mas os materiais orgânicos também são muito interessantes. Eu também gostaria de investigar mais materiais magnéticos, porque há menos materiais magnéticos relatados no banco de dados do que materiais não magnéticos. E depois quero olhar para materiais que têm simetrias quirais – isto é, são simétricos, mas “entregues” no sentido de que têm uma versão esquerda e uma versão direita.

Você acha que poderia haver milhares de outros materiais topológicos entre os materiais orgânicos ou magnéticos?

Não sei. Depende do tamanho do band gap eletrônico. Veremos!