Uma equipe de pesquisadores dos EUA revelou um dispositivo capaz de conduzir eletricidade ao longo de suas bordas com carga fracionária sem perder energia na forma de calor. Descrito na revista Nature Physics , o trabalho, liderado por Xiaodong Xu, da Universidade de Washington, representa a primeira demonstração de um "isolante de Chern fracionário sem dissipação", um estado da matéria há muito procurado e com implicações promissoras para futuras tecnologias quânticas.

O efeito Hall quântico surge quando elétrons são confinados a um material bidimensional, resfriados a temperaturas extremamente baixas e expostos a fortes campos magnéticos. De forma semelhante ao efeito Hall clássico, ele descreve como uma voltagem se desenvolve através de um material perpendicularmente à direção do fluxo de corrente. Nesse caso, porém, essa voltagem aumenta em etapas discretas, ou quantizadas.

Em condições ainda mais extremas, surge uma variante exótica denominada efeito Hall quântico fracionário (FQH). Nesse caso, os elétrons deixam de se comportar como partículas independentes e passam a se mover coletivamente, gerando degraus de voltagem que correspondem a frações da carga de um elétron. Esse comportamento coletivo incomum desbloqueia uma série de propriedades exóticas e tornou esses estados particularmente atraentes para as tecnologias quânticas emergentes.

Uma possibilidade ainda mais estranha surge nos isolantes de Chern fracionários (ICFs). Esses materiais podem exibir um sinal de Hall quantizado fracionariamente , assim como o efeito Hall quântico fracionário (HQF), mas em campo magnético zero. Embora os ICFs tenham sido propostos há mais de uma década, seu comportamento definidor, conhecido como efeito Hall anômalo quântico fracionário (HAQF), foi demonstrado experimentalmente pela primeira vez pelo grupo de Xu em 2023. Nesse experimento, os pesquisadores utilizaram dispositivos feitos de duas camadas de ditelureto de molibdênio, torcidas uma em relação à outra em um ângulo cuidadosamente escolhido.

"A descoberta inicial do efeito FQAH foi empolgante, mas longe da perfeição", relata Xu. "Por exemplo, embora a resistência de Hall tenha sido quantizada no valor esperado, a resistência longitudinal, que se espera que desapareça, ainda era considerável."

Essa resistência persistente apontava para a dissipação de energia, onde a energia elétrica é perdida na forma de calor à medida que as cargas se movem pelo material. Em seu estudo mais recente, Xu e seus colegas abordaram esse problema aprimorando o desempenho do dispositivo em duas áreas principais.

O primeiro foco foi o crescimento dos próprios cristais subjacentes. "Meu colega Jiun-Haw Chu e nosso pós-doutorando Chaowei Hu descobriram que o crescimento por fluxo horizontal melhora drasticamente a qualidade dos cristais", diz ele. "Comparado com os cristais usados no estudo original de 2023, a nova abordagem aumentou a mobilidade dos portadores de carga em mais de uma ordem de magnitude."

"Em segundo lugar, meu aluno Heonjoon Park, juntamente com outros, aprimorou ainda mais o processo de fabricação do dispositivo para reduzir a desordem do ângulo de torção."

Com essas melhorias implementadas, os pesquisadores observaram que a resistência indesejada praticamente desapareceu quando o sistema foi ajustado para um estado correspondente a dois terços do preenchimento da banda eletrônica. O resultado representa a primeira realização de um FCI sem dissipação, no qual a energia elétrica flui ao longo das bordas praticamente sem perda de calor.

Os dispositivos mais limpos também revelaram um comportamento inesperado na lacuna de ativação térmica do sistema: a energia que separa o estado fundamental do volume de seus estados excitados mais baixos. Se essa lacuna for muito pequena, os elétrons do volume excitados termicamente podem competir com os estados de borda, degradando o desempenho do dispositivo.

"Para nossa surpresa, descobrimos que a lacuna de ativação térmica do estado fracionário diminui rapidamente à medida que o campo magnético aumenta e, em seguida, se estabiliza acima de uma determinada intensidade de campo magnético", diz Xu. "Isso contrasta com os estados FQH, nos quais um campo magnético é necessário para formar o estado e aumentar ainda mais a lacuna de energia, elevando sua intensidade."

A teoria da equipe sugere que essa tendência incomum surge de uma competição entre diferentes tipos de excitações de baixa energia ligadas ao spin e à carga do elétron, cada uma exigindo diferentes quantidades de energia para serem ativadas no sistema FQAH.

Olhando para o futuro, Xu e seus colegas veem um caminho claro para um desempenho ainda melhor. "A comunidade do efeito Hall quântico fez avanços repetidos ao aprimorar a qualidade das amostras nos últimos 40 anos", diz ele. "Com base nessa experiência, esperamos que o progresso nesta nova plataforma seja ainda mais rápido e estamos ansiosos para ver quais novas surpresas nos aguardam."