Em um trabalho que pode levar a uma nova física importante com aplicações potencialmente inebriantes na ciência da computação e muito mais, os cientistas do MIT mostraram que dois campos anteriormente separados na física da matéria condensada podem ser combinados para produzir fenômenos novos e exóticos.

O trabalho é teórico, mas os pesquisadores estão entusiasmados em colaborar com os experimentalistas para realizar os fenômenos previstos. A equipe inclui as condições necessárias para atingir esse objetivo final em um artigo publicado na edição de 24 de fevereiro da Science Advances .

“Este trabalho começou como uma especulação teórica e terminou melhor do que esperávamos”, diz Liang Fu, professor associado do Departamento de Física do MIT, afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT e líder do trabalho. Seus colegas são Nisarga Paul, um estudante de pós-graduação em física do MIT, e Yang Zhang, um ex-pós-doutorado do MIT que agora é professor na Universidade do Tennessee.

O trabalho atual foi guiado pelos avanços recentes em materiais 2D, ou aqueles constituídos por apenas uma ou algumas camadas de átomos. “Todo o mundo dos materiais bidimensionais é muito interessante porque você pode empilhá-los e torcê-los, e meio que jogar Legos com eles para obter todos os tipos de estruturas de sanduíche legais com propriedades incomuns”, diz Paul, que é o primeiro autor do livro papel.

Essas estruturas em sanduíche, por sua vez, são chamadas de materiais moiré. O professor de física do MIT Pablo Jarillo-Herrero e seus colegas têm sido líderes no campo do grafeno moiré, que é composto de duas ou mais folhas de grafeno atomicamente finas colocadas umas sobre as outras e giradas em um pequeno ângulo.

Separadamente, outros cientistas avançaram no campo dos ímãs 2D.

O que pode acontecer se os dois campos – ímãs 2D e materiais moiré – forem combinados? Esse é o foco do trabalho atual.

Especificamente, a equipe prevê que uma estrutura feita de duas camadas de um ímã 2D encimado por uma camada de um material semicondutor 2D gerará um fenômeno chamado banda plana, no qual os elétrons do semicondutor ficam parados. “Essa foi a parte teoricamente desafiadora porque não é uma coisa muito simples de se perguntar a um elétron. Eles querem se movimentar. E é preciso muito ajuste fino para que eles fiquem parados”, diz Paul.

Conseguir que os elétrons fiquem parados, no entanto, permite que eles “realmente conversem uns com os outros. E é aí que todas as coisas realmente interessantes em nosso campo [física da matéria condensada] acontecem”, continua Paul.

A chave para a pesquisa é uma partícula exótica chamada skyrmion que envolve uma propriedade dos elétrons chamada spin (outra propriedade mais familiar dos elétrons é sua carga). O spin pode ser pensado como um ímã elementar, no qual os elétrons de um átomo são como pequenas agulhas orientadas de uma certa maneira. Nos ímãs de sua geladeira, todos os giros apontam na mesma direção.

Em um skyrmion, os giros formam redemoinhos semelhantes a nós que são distribuídos pela superfície de um material. É importante ressaltar que skyrmions são objetos topológicos, ou seja, aqueles cujas propriedades não mudam mesmo quando submetidos a grandes deformações. (Em 2016, o Prêmio Nobel de Física foi concedido aos três cientistas que descobriram as fases topológicas da matéria.) A implicação é que aplicações futuras de skyrmions seriam muito robustas ou difíceis de interromper, talvez levando a uma melhor forma de armazenamento de memória de computador .

A equipe do MIT prevê que os skyrmions na camada magnética 2D se “imprimirão” nos elétrons da camada semicondutora, dotando-os de propriedades semelhantes às dos skyrmions. Essas propriedades também interrompem o movimento dos elétrons do semicondutor, resultando na banda plana.

No artigo da Science Advances , os físicos também definem as melhores condições para criar uma estrutura semicondutora magnética com banda plana.

Yang Zhang usou um método chamado teoria funcional da densidade para prever quais materiais permitiriam as interações mais fortes entre os elétrons no semicondutor e os skyrmions no ímã. “Para que algo interessante aconteça, você precisa que os elétrons de uma camada realmente sintam os skyrmions da outra camada”, diz Paul. “Isso é quantificado por um parâmetro chamado troca de proximidade, ou J. So Yang estava procurando uma combinação de materiais com um grande J.”

Ele descobriu que a melhor combinação envolve uma camada de dissulfeto de molibdênio (o semicondutor) sobre camadas de tribrometo de cromo (o ímã). Diz Paul: “Combinações típicas nessas duas famílias de materiais terão um J de cerca de um ou dois milieletronvolts. Yang descobriu que essa combinação específica tem um J de cerca de sete milieletronvolts. Aquilo é enorme."

A equipe identificou ainda um certo nível “mágico” de magnetização que também é fundamental para a obtenção de uma forte banda plana.

"A engenharia de bandas eletrônicas planas por meio de superredes moiré surgiu como uma técnica poderosa para explorar [uma variedade de efeitos incomuns]", disse Xiaodong Xu, da Universidade de Washington, que não participou do trabalho. A equipe "apresenta um método inovador para criar bandas topologicamente planas combinando semicondutores 2D com moirés magnéticos 2D. O apelo dessa abordagem reside no fato de que [as previsões da equipe] tornam a implementação experimental viável. Isso sem dúvida inspirará inúmeras equipes."

Acrescenta Inti Sodemann do Instituto Max Planck, que também não esteve envolvido na pesquisa: "Os autores demonstraram a possibilidade de projetar nessas [estruturas] bandas Chern topológicas muito planas. Essas bandas planas têm um grande potencial para a realização de exóticas estados que poderiam ser plataformas potenciais para a construção de computadores quânticos topológicos."

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.