Tecnologia Científica

Resposta peculiar ao magnetismo apresenta mistério da física quântica
Um dos objetivos é aproveitar as propriedades quânticas dos materiais para comunicações que vão além do que é possível com a eletrônica convencional.
Por Laboratório Nacional de Brookhaven - 11/09/2020


Diagrama esquemático mostrando o magnetismo e o comportamento condutivo na superfície do MnBi2Te4. O magnetismo aponta uniformemente para cima, como mostrado pelas setas vermelhas, e os elétrons da superfície, representados pelas estruturas da ampulheta, são condutores porque as metades superior e inferior se tocam no vértice sem 'lacuna' no meio (ver texto). Não se espera que esses dois recursos ocorram simultaneamente, ilustrando a necessidade de entender melhor as propriedades fundamentais do material. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

A busca continua para descobrir novos estados da matéria e, possivelmente, novas maneiras de codificar, manipular e transportar informações. Um dos objetivos é aproveitar as propriedades quânticas dos materiais para comunicações que vão além do que é possível com a eletrônica convencional. Isoladores topológicos - materiais que atuam principalmente como isolantes, mas transportam corrente elétrica em sua superfície - fornecem algumas possibilidades tentadoras.

"Explorar a complexidade dos materiais topológicos - junto com outros fenômenos emergentes intrigantes, como magnetismo e supercondutividade - é uma das áreas de foco mais emocionantes e desafiadoras para a comunidade de ciência de materiais no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA", disse Peter Johnson , um físico sênior na Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais em Brookhaven. "Estamos tentando entender esses isoladores topológicos porque eles têm muitas aplicações potenciais, particularmente na ciência da informação quântica, 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 elétrons de superfície com "spin" oposto. Essa propriedade quântica poderia ser potencialmente aproveitada em dispositivos "spintrônicos" para codificar e transportar informações. Indo um passo adiante, o acoplamento desses elétrons ao magnetismo pode levar a fenômenos novos e emocionantes.

"Quando você tem magnetismo próximo à superfície, pode ter esses outros estados exóticos da matéria que surgem do acoplamento do isolador topológico com o magnetismo", disse Dan Nevola, um pós-doutorando que trabalha com Johnson. "Se pudermos encontrar isoladores topológicos com seu próprio magnetismo intrínseco, devemos ser capazes de transportar elétrons de um determinado spin em uma direção específica."

Em um novo estudo recém-publicado e destacado como sugestão do editor na Physical Review Letters , Nevola, Johnson e seus co-autores descrevem o comportamento peculiar de um isolador topológico magnético. O artigo inclui evidências experimentais de que o magnetismo intrínseco na maior parte do telureto de bismuto de manganês (MnBi2Te4) também se estende aos elétrons em sua superfície eletricamente condutora. Estudos anteriores foram inconclusivos quanto à existência ou não do magnetismo de superfície.

Mas quando os físicos mediram a sensibilidade dos elétrons de superfície ao magnetismo, apenas um dos dois estados eletrônicos observados se comportou como esperado. Outro estado de superfície, que deveria ter uma resposta maior, agiu como se o magnetismo não existisse.
 
"O magnetismo é diferente na superfície? Ou há algo exótico que simplesmente não entendemos?" Disse Nevola.

Johnson inclina-se para a explicação da física exótica: "Dan fez um experimento muito cuidadoso, que lhe permitiu observar a atividade na região da superfície e identificar dois estados eletrônicos diferentes naquela superfície, um que pode existir em qualquer superfície metálica e outro que reflete as propriedades topológicas do material ", disse ele. “O primeiro era sensível ao magnetismo, o que prova que o magnetismo realmente existe na superfície. No entanto, o outro que esperávamos ser mais sensível não tinha sensibilidade nenhuma. Então, deve haver alguma física exótica acontecendo! "

As medições

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

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

O mapa dos níveis de energia dos elétrons excitados mostra duas bandas de superfície distintas, cada uma exibindo ramos separados, sendo que os elétrons em cada ramo têm spin oposto. Esperava-se que ambas as bandas, cada uma representando um dos dois estados eletrônicos, respondessem à presença de magnetismo.

Para testar se esses elétrons de superfície eram de fato sensíveis ao magnetismo, os cientistas resfriaram a amostra a 25 Kelvin, permitindo que seu magnetismo intrínseco emergisse. No entanto, apenas no estado eletrônico não topológico, eles observaram uma "lacuna" se abrindo na parte antecipada do espectro.

"Dentro dessas lacunas, os elétrons 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 da superfície foi a evidência definitiva da sensibilidade magnética - e a evidência de que o magnetismo intrínseco na maior parte deste material em particular se estende aos elétrons de sua superfície .

No entanto, o estado eletrônico "topológico" 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 gostaríamos de ser capazes de entender e projetar, da mesma forma que projetamos as propriedades de semicondutores para uma variedade de tecnologias", continuou Johnson.

Na spintrônica, por exemplo, a ideia é usar diferentes estados de spin para codificar informações da maneira como as cargas elétricas positivas e negativas são atualmente usadas em dispositivos semicondutores para codificar os "bits" - 1s e 0s - do código do computador. Mas os bits quânticos codificados por spin, ou qubits, têm muito mais estados possíveis - não apenas dois. Isso expandirá muito o potencial de codificar informações de maneiras novas e poderosas.

"Tudo sobre isoladores topológicos magnéticos parece ser adequado para esse tipo de aplicação tecnológica, mas este material em particular não obedece às regras", disse Johnson.

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

 

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