Materiais quânticos — aqueles com propriedades eletrônicas que são governadas pelos princípios da mecânica quântica, como correlação e emaranhamento — podem exibir comportamentos exóticos sob certas condições, como a capacidade de transmitir eletricidade sem resistência, conhecida como supercondutividade. No entanto, para obter o melhor desempenho desses materiais, eles precisam ser ajustados adequadamente, da mesma forma que carros de corrida também precisam de ajustes. Uma equipe liderada por Mingda Li, professora associada do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE) do MIT, demonstrou uma nova maneira ultraprecisa de ajustar as características de materiais quânticos, usando uma classe específica desses materiais, semimetais de Weyl, como exemplo.

A nova técnica não se limita aos semimetais de Weyl. “Podemos usar esse método para qualquer material inorgânico a granel e também para filmes finos”, afirma o pós-doutorado da NSE Manasi Mandal, um dos dois principais autores de um artigo de acesso aberto — publicado recentemente na Applied Physics Reviews — que relatou as descobertas do grupo.

O experimento descrito no artigo focou em um tipo específico de semimetal de Weyl, um cristal de fosfeto de tântalo (TaP). Os materiais podem ser classificados por suas propriedades elétricas: metais conduzem eletricidade facilmente, enquanto isolantes impedem o fluxo livre de elétrons. Um semimetal fica em algum lugar no meio. Ele pode conduzir eletricidade, mas apenas em uma banda de frequência estreita ou canal. Os semimetais de Weyl são parte de uma categoria mais ampla dos chamados materiais topológicos que têm certas características distintivas. Por exemplo, eles possuem estruturas eletrônicas curiosas — torções ou "singularidades" chamadas nós de Weyl, que são padrões giratórios em torno de um único ponto (configurados em uma direção horária ou anti-horária) que lembram espirais de cabelo ou, mais geralmente, vórtices. A presença de nós de Weyl confere propriedades elétricas incomuns, bem como úteis. E uma vantagem fundamental dos materiais topológicos é que suas qualidades procuradas podem ser preservadas, ou "protegidas topologicamente", mesmo quando o material é perturbado.

“Esse é um recurso interessante de se ter”, explica Abhijatmedhi Chotrattanapituk, um estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT e o outro autor principal do artigo. “Quando você tenta fabricar esse tipo de material, não precisa ser exato. Você pode tolerar algumas imperfeições, algum nível de incerteza, e o material ainda se comportará como esperado.”

A “sintonização” que precisa acontecer está relacionada principalmente ao nível de Fermi, que é o nível de energia mais alto ocupado por elétrons em um dado sistema físico ou material. Mandal e Chotrattanapituk sugerem a seguinte analogia: considere uma represa que pode ser preenchida com vários níveis de água. Pode-se elevar esse nível adicionando água ou abaixá-lo removendo água. Da mesma forma, pode-se ajustar o nível de Fermi de um dado material simplesmente adicionando ou subtraindo elétrons.

Para ajustar o nível de Fermi do semimetal de Weyl, a equipe de Li fez algo semelhante, mas em vez de adicionar elétrons reais, eles adicionaram íons de hidrogênio negativos (cada um consistindo de um próton e dois elétrons) à amostra. O processo de introdução de uma partícula estranha, ou defeito, no cristal de TaP — neste caso, substituindo um íon de hidrogênio por um átomo de tântalo — é chamado de dopagem. E quando a dopagem ideal é alcançada, o nível de Fermi coincidirá com o nível de energia dos nós de Weyl. É quando as propriedades quânticas desejadas do material serão mais completamente realizadas.

Para semimetais de Weyl, o nível de Fermi é especialmente sensível à dopagem. A menos que esse nível seja definido próximo aos nós de Weyl, as propriedades do material podem divergir significativamente do ideal. A razão para essa extrema sensibilidade deve-se à geometria peculiar do nó de Weyl. Se alguém pensasse no nível de Fermi como o nível de água em um reservatório, o reservatório em um semimetal de Weyl não tem o formato de um cilindro; ele tem o formato de uma ampulheta, e o nó de Weyl está localizado no ponto mais estreito, ou pescoço, dessa ampulheta. Adicionar muita ou pouca água perderia o pescoço completamente, assim como adicionar muitos ou poucos elétrons ao semimetal perderia o nó completamente.

Para atingir a precisão necessária, os pesquisadores utilizaram o acelerador de íons “Tandem” de dois estágios do MIT — localizado no Centro de Ciência e Tecnologia com Aceleradores e Radiação (CSTAR) — e atingiram a amostra de TaP com íons de alta energia saindo do poderoso feixe acelerador (1,7 milhões de volts). Os íons de hidrogênio foram escolhidos para esse propósito porque são os menores íons negativos disponíveis e, portanto, alteram o material menos do que um dopante muito maior. “O uso de técnicas avançadas de acelerador permite maior precisão do que nunca antes possível, definindo o nível de Fermi para precisão de mili-elétron-volt [milésimos de um elétron-volt]”, diz Kevin Woller, o principal cientista pesquisador que lidera o laboratório CSTAR. “Além disso, os feixes de alta energia permitem a dopagem de cristais em massa além das limitações de filmes finos com apenas algumas dezenas de nanômetros de espessura.”

O procedimento, em outras palavras, envolve bombardear a amostra com íons de hidrogênio até que um número suficiente de elétrons seja absorvido para tornar o nível de Fermi correto. A questão é: por quanto tempo você liga o acelerador e como você sabe quando é o suficiente? O ponto é que você quer ajustar o material até que o nível de Fermi não esteja nem muito baixo nem muito alto.

“Quanto mais tempo você opera a máquina, mais alto o nível de Fermi fica”, diz Chotrattanapituk. “A dificuldade é que não podemos medir o nível de Fermi enquanto a amostra está na câmara do acelerador.” A maneira normal de lidar com isso seria irradiar a amostra por um certo período de tempo, retirá-la, medi-la e, em seguida, colocá-la de volta se o nível de Fermi não estiver alto o suficiente. “Isso pode ser praticamente impossível”, acrescenta Mandal.

Para simplificar o protocolo, a equipe criou um modelo teórico que primeiro prevê quantos elétrons são necessários para aumentar o nível de Fermi para o nível preferido e traduz isso para o número de íons de hidrogênio negativos que devem ser adicionados à amostra. O modelo pode então dizer a eles por quanto tempo a amostra deve ser mantida na câmara do acelerador.

A boa notícia, diz Chotrattanapituk, é que seu modelo simples concorda dentro de um fator de 2 com modelos convencionais confiáveis que são muito mais intensivos computacionalmente e podem exigir acesso a um supercomputador. As principais contribuições do grupo são duplas, ele observa: oferecer uma nova técnica baseada em acelerador para dopagem de precisão e fornecer um modelo teórico que pode orientar o experimento, dizendo aos pesquisadores quanto hidrogênio deve ser adicionado à amostra dependendo da energia do feixe de íons, do tempo de exposição e do tamanho e espessura da amostra.

Isso pode abrir caminho para um grande avanço prático, observa Mandal, porque sua abordagem pode potencialmente levar o nível de Fermi de uma amostra ao valor necessário em questão de minutos — uma tarefa que, pelos métodos convencionais, às vezes leva semanas sem nunca atingir o grau necessário de precisão de mili-eV.

Li acredita que um método preciso e conveniente para ajustar o nível de Fermi poderia ter ampla aplicabilidade. “Quando se trata de materiais quânticos, o nível de Fermi é praticamente tudo”, ele diz. “Muitos dos efeitos e comportamentos que buscamos só se manifestam quando o nível de Fermi está no local certo.” Com um nível de Fermi bem ajustado, por exemplo, pode-se aumentar a temperatura crítica na qual os materiais se tornam supercondutores. Materiais termoelétricos, que convertem diferenças de temperatura em uma voltagem elétrica, similarmente se tornam mais eficientes quando o nível de Fermi é ajustado corretamente. O ajuste de precisão também pode desempenhar um papel útil na computação quântica.

Thomas Zac Ward, um cientista sênior do Oak Ridge National Laboratory, ofereceu uma avaliação otimista: “Este trabalho fornece uma nova rota para a exploração experimental dos comportamentos críticos, mas ainda mal compreendidos, de materiais emergentes. A capacidade de controlar precisamente o nível de Fermi de um material topológico é um marco importante que pode ajudar a trazer novas informações quânticas e arquiteturas de dispositivos de microeletrônica à fruição.”