A busca continua para descobrir novos estados da matéria e, possivelmente, novas maneiras de codificar, manipular e transportar informações. Um dos objetivos éaproveitar as propriedades qua¢nticas dos materiais para comunicações que va£o além do que épossí­vel com a eletra´nica convencional. Isoladores topola³gicos - materiais que atuam principalmente como isolantes, mas transportam corrente elanãtrica em suasuperfÍcie - fornecem algumas possibilidades tentadoras.

"Explorar a complexidade dos materiais topola³gicos - junto com outros fena´menos emergentes intrigantes, como magnetismo e supercondutividade - éuma das áreas de foco mais emocionantes e desafiadoras para a comunidade de ciência de materiais no Laborata³rio Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA", disse Peter Johnson , um fa­sico saªnior na Divisão de Fa­sica da Matanãria Condensada e Ciência dos Materiais em Brookhaven. "Estamos tentando entender esses isoladores topola³gicos porque eles tem muitas aplicações potenciais, particularmente na ciência da informação qua¢ntica, uma nova área importante para a divisão."

Por exemplo, materiais com essa personalidade dividida de isolador / condutor exibem uma separação nas assinaturas de energia de seus elanãtrons desuperfÍcie com "spin" oposto. Essa propriedade qua¢ntica poderia ser potencialmente aproveitada em dispositivos "spintra´nicos" para codificar e transportar informações. Indo um passo adiante, o acoplamento desses elanãtrons ao magnetismo pode levar a fena´menos novos e emocionantes.

"Quando vocêtem magnetismo pra³ximo a superfÍcie, pode ter esses outros estados exa³ticos da matéria que surgem do acoplamento do isolador topola³gico com o magnetismo", disse Dan Nevola, um pa³s-doutorando que trabalha com Johnson. "Se pudermos encontrar isoladores topola³gicos com seu pra³prio magnetismo intra­nseco, devemos ser capazes de transportar elanãtrons de um determinado spin em uma direção especa­fica."

Em um novo estudo recanãm-publicado e destacado como sugestãodo editor na Physical Review Letters , Nevola, Johnson e seus co-autores descrevem o comportamento peculiar de um isolador topola³gico magnanãtico. O artigo inclui evidaªncias experimentais de que o magnetismo intra­nseco na maior parte do telureto de bismuto de manganaªs (MnBi2Te4) também se estende aos elanãtrons em suasuperfÍcie eletricamente condutora. Estudos anteriores foram inconclusivos quanto a  existaªncia ou não do magnetismo desuperfÍcie.

Mas quando os fa­sicos mediram a sensibilidade dos elanãtrons desuperfÍcie ao magnetismo, apenas um dos dois estados eletra´nicos observados se comportou como esperado. Outro estado desuperfÍcie, que deveria ter uma resposta maior, agiu como se o magnetismo não existisse.

 

"O magnetismo édiferente nasuperfÍcie? Ou hálgo exa³tico que simplesmente não entendemos?" Disse Nevola.

Johnson inclina-se para a explicação da física exa³tica: "Dan fez um experimento muito cuidadoso, que lhe permitiu observar a atividade na regia£o dasuperfÍcie e identificar dois estados eletra´nicos diferentes naquelasuperfÍcie, um que pode existir em qualquersuperfÍcie meta¡lica e outro que reflete as propriedades topola³gicas do material ", disse ele. “O primeiro erasensívelao magnetismo, o que prova que o magnetismo realmente existe nasuperfÍcie. No entanto, o outro que espera¡vamos ser maissensívelnão tinha sensibilidade nenhuma. Então, deve haver alguma física exa³tica acontecendo! "

Os cientistas estudaram o material usando vários tipos de espectroscopia de fotoemissão, onde a luz de um pulso de laser ultravioleta solta elanãtrons dasuperfÍcie do material e coloca-os em um detector para medição.

"Para um de nossos experimentos, usamos um pulso de laser infravermelho adicional para dar a  amostra um pequeno impulso para mover alguns dos elanãtrons antes de fazer a medição", explicou Nevola. "Leva alguns dos elanãtrons e os impulsiona [para cima em energia] para se tornarem elanãtrons condutores. Então, em escalas de tempo muito, muito curtas - picossegundos - vocêfaz a medição para ver como os estados eletra´nicos mudaram em resposta."

O mapa dos na­veis de energia dos elanãtrons excitados mostra duas bandas desuperfÍcie distintas, cada uma exibindo ramos separados, sendo que os elanãtrons em cada ramo tem spin oposto. Esperava-se que ambas as bandas, cada uma representando um dos dois estados eletra´nicos, respondessem a  presença de magnetismo.

Para testar se esses elanãtrons desuperfÍcie eram de fato sensa­veis ao magnetismo, os cientistas resfriaram a amostra a 25 Kelvin, permitindo que seu magnetismo intra­nseco emergisse. No entanto, apenas no estado eletra´nico não topola³gico, eles observaram uma "lacuna" se abrindo na parte antecipada do espectro.

"Dentro dessas lacunas, os elanãtrons são proibidos de existir e, portanto, seu desaparecimento dessa parte do espectro representa a assinatura da lacuna", disse Nevola.

A observação de uma lacuna aparecendo no estado regular dasuperfÍcie foi a evidência definitiva da sensibilidade magnanãtica - e a evidência de que o magnetismo intra­nseco na maior parte deste material em particular se estende aos elanãtrons de suasuperfÍcie .

No entanto, o estado eletra´nico "topola³gico" que os cientistas estudaram não mostrou tal sensibilidade ao magnetismo - nenhuma lacuna.

"Isso cria um certo ponto de interrogação", disse Johnson.

"Essas são propriedades que gostara­amos de ser capazes de entender e projetar, da mesma forma que projetamos as propriedades de semicondutores para uma variedade de tecnologias", continuou Johnson.

Na spintra´nica, por exemplo, a ideia éusar diferentes estados de spin para codificar informações da maneira como as cargas elanãtricas positivas e negativas são atualmente usadas em dispositivos semicondutores para codificar os "bits" - 1s e 0s - do ca³digo do computador. Mas os bits qua¢nticos codificados por spin, ou qubits, tem muito mais estados possa­veis - não apenas dois. Isso expandira¡ muito o potencial de codificar informações de maneiras novas e poderosas.

"Tudo sobre isoladores topola³gicos magnanãticos parece ser adequado para esse tipo de aplicação tecnologiica, mas este material em particular não obedece a s regras", disse Johnson.

Portanto, agora, enquanto a equipe continua sua busca por novos estados da matéria e novas percepções do mundo qua¢ntico, háuma nova urgência para explicar o comportamento qua¢ntico peculiar desse material em particular.