Tecnologia Científica

Preenchendo a lacuna entre as propriedades magnéticas e eletrônicas de isoladores topológicos
Os isoladores topológicos têm a propriedade peculiar de serem eletricamente condutores na superfície, mas isolantes em seu interior.
Por Instituto de Tecnologia de Tóquio - 24/09/2020


(a) e (b) mostram as estruturas de banda eletrônica de Bi2Te3 e uma amostra de isolador topológico magnético; a estrutura do cone de Dirac é muito mais proeminente neste último. (c) Os dois picos de fotoemissão destacados e sua fusão progressiva foram atribuídos ao fechamento do gap DC conforme a temperatura aumenta. Crédito: Nature Communications

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio lançaram luz sobre a relação entre as propriedades magnéticas de isoladores topológicos e sua estrutura de banda eletrônica. Seus resultados experimentais oferecem novos insights sobre debates recentes a respeito da evolução da estrutura de banda com a temperatura nesses materiais, que exibem fenômenos quânticos incomuns e são considerados cruciais na eletrônica de próxima geração, spintrônica e computadores quânticos.

Os isoladores topológicos têm a propriedade peculiar de serem eletricamente condutores na superfície, mas isolantes em seu interior. Essa característica aparentemente simples e única permite que esses materiais hospedem uma infinidade de fenômenos quânticos exóticos que seriam úteis para computadores quânticos, spintrônica e sistemas optoeletrônicos avançados.

Para desbloquear algumas das propriedades quânticas incomuns, no entanto, é necessário induzir magnetismo em isoladores topológicos . Em outras palavras, algum tipo de 'ordem' em como os elétrons no material se alinham em relação uns aos outros precisa ser alcançada. Em 2017, um novo método para atingir esse feito foi proposto. Denominada 'extensão magnética', a técnica envolve a inserção de uma monocamada de um material magnético na camada superior do isolador topológico, que contorna os problemas causados ​​por outros métodos disponíveis, como dopagem com impurezas magnéticas.

Infelizmente, o uso da extensão magnética levou a questões complexas e respostas conflitantes sobre a estrutura de banda eletrônica dos materiais resultantes, que dita os níveis de energia possíveis dos elétrons e, em última análise, determina as propriedades condutoras do material. Isoladores topológicos são conhecidos por exibirem o que é conhecido como cone de Dirac (DC) em sua estrutura de banda eletrônica que se assemelha a dois cones frente a frente. Em teoria, o DC não é aberto para isoladores topológicos comuns, mas torna-se aberto por indução de magnetismo. No entanto, a comunidade científica não concordou sobre a correlação entre a lacuna entre as duas pontas do cone e as características magnéticas do material experimentalmente.

Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura foram usadas junto
com espectroscopia de energia dispersiva para determinar a composição atômica
das duas estruturas possíveis das amostras. Crédito: Nature Communications

Em um esforço recente para resolver essa questão, cientistas de várias universidades e institutos de pesquisa realizaram um estudo colaborativo liderado pelo Assoc Prof Toru Hirahara da Tokyo Tech, Japão. Eles fabricaram estruturas topológicas magnéticas depositando Mn e Te em Bi 2 Te 3 , um isolante topológico bem estudado . Os cientistas teorizaram que camadas extras de Mn interagiriam mais fortemente com Bi 2 Te 3 e que as propriedades magnéticas emergentes poderiam ser atribuídas a mudanças no gap DC, como Hirahara explica: "Esperávamos que fortes interações magnéticas entre camadas levassem a uma situação em que o a correspondência entre as propriedades magnéticas e o gap DC foram claros em comparação com estudos anteriores. "
 
Ao examinar as estruturas de banda eletrônica e as características de fotoemissão das amostras, eles demonstraram como o gap DC fecha progressivamente com o aumento da temperatura. Além disso, eles analisaram a estrutura atômica de suas amostras e encontraram duas configurações possíveis, MnBi 2 Te 4 / Bi 2 Te 3 e Mn 4 Bi 2 Te 7 / Bi 2 Te 3 , sendo a última responsável pelo gap DC.

No entanto, um achado peculiarmente intrigante foi que a temperatura na qual o gap DC fecha está bem acima da temperatura crítica (TC), acima da qual os materiais perdem sua ordem magnética permanente. Isso está em total contraste com estudos anteriores que indicaram que o gap DC ainda pode ser aberto a uma temperatura mais alta do que o TC do material sem fechar. Sobre esta nota, Hirahara comenta: "Nossos resultados mostram, pela primeira vez, que a perda de ordem magnética de longo alcance acima do TC e o fechamento do gap DC não estão correlacionados."

Embora esforços adicionais sejam necessários para esclarecer a relação entre a natureza do gap DC e as propriedades magnéticas, este estudo é um passo na direção certa. Esperançosamente, uma compreensão mais profunda desses fenômenos quânticos nos ajudará a colher o poder dos isoladores topológicos para a eletrônica de próxima geração e computação quântica.

 

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