Tecnologia Científica

Primeira evidência de partículas exóticas em monossilicida de cobalto
A descoberta foi resultado de uma colaboração entre pesquisadores da Penn, da Universidade de Friburgo, do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos e da Universidade de Marylan
Por Erica K. Brockmeier - 28/10/2020


No ano passado, o estudante Zhuoliang Ni estava conduzindo experimentos de laser de pulso de luz com monossilicida de cobalto (CoSi) para ver se eles poderiam usar esta liga de metal para converter luz em corrente elétrica. Os dados coletados pareciam sugerir que pode haver algumas características topológicas únicas do CoSi, o que levou à última publicação do grupo no PNAS . (Foto pré-pandêmica). Crédito: Universidade da Pensilvânia

Um novo estudo fornece as primeiras evidências de partículas exóticas, conhecidas como quasipartículas topológicas quádruplas, na liga metálica de monossilicida de cobalto. Publicado nos Proceedings of the National Academy of Sciences , esta análise abrangente, que combina dados experimentais com modelos teóricos, fornece uma compreensão detalhada deste material. Esses insights podem ser usados ​​para projetar este e outros materiais semelhantes com propriedades únicas e controláveis. A descoberta foi resultado de uma colaboração entre pesquisadores da Penn, da Universidade de Friburgo, do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos e da Universidade de Maryland.

As teorias que sustentam os isoladores topológicos , materiais com uma superfície condutiva e um núcleo isolante, foram lançadas por Charlie Kane e Eugene Mele da Penn, vencedores do Prêmio Revelação de Física Fundamental de 2019. Por meio de suas contribuições teóricas sobre topologia e simetria, Kane e Mele postularam a existência dessa nova classe de materiais, que poderiam ser usados ​​para criar plataformas eletrônicas ou de computação quântica de alta eficiência.

"Mas o desejo de todos os teóricos é que seu trabalho seja traduzido para o mundo real ", diz o químico Andrew M. Rappe, que colabora com Kane e Mele em maneiras de descobrir materiais do mundo real que tenham essas propriedades exóticas. "A recente contratação do professor Liang Wu leva nosso grupo de física topológica a um novo nível, onde podemos entender os materiais e observar suas propriedades, tudo em um ciclo estreito e colaborativo."

Desde que chegou à Penn em 2018, Wu e seu laboratório têm usado experimentos ópticos para estudar como a luz interage com materiais topológicos e estão interessados ​​em validar algumas das teorias existentes sobre essa classe de materiais. No ano passado, o estudante Zhuoliang Ni estava conduzindo experimentos de laser de pulso de luz com monossilicida de cobalto (CoSi) para entender melhor a relação entre a topologia e a óptica não linear e para ver se eles poderiam usar esse material para converter luz em corrente elétrica. Os dados que coletaram parecem sugerir que pode haver algumas características topológicas únicas do CoSi. "Percebi que há algo interessante na condutividade óptica por si só", disse Wu, que então procurou Mele e Rappe sobre o desenvolvimento de uma teoria para ajudar a explicar os resultados de seu experimento.

Embora o CoSi já tenha sido estudado antes, os novos dados coletados pelo laboratório de Wu eram de qualidade superior ao trabalho anterior, permitindo aos pesquisadores desenvolver um modelo que fornecesse uma explicação mais robusta de suas descobertas.

Ilustração esquemática de férmions triplos e quádruplos. Essas partículas exóticas não
têm contrapartes conhecidas na física de partículas, mas neste artigo os pesquisadores
demonstraram sua existência no CoSi usando uma combinação de dados experimentais
e modelagem teórica. Crédito: Jörn Venderbos

“As previsões da física topológica sugeriram que este material deveria ter algumas propriedades excitantes, como a condutividade óptica linear com o aumento da energia do fóton, mas um material real tem muitos fenômenos acontecendo ao mesmo tempo”, diz Rappe. "Os teóricos gradualmente tornam seu modelo mais complicado e realista, e os experimentalistas consideram outras características para simplificar a apresentação experimental. É assim que chegamos a um acordo sobre quais características podem ser atribuídas às propriedades topológicas."
 
Depois de quase um ano analisando dados e iterando em diferentes teorias, uma das coisas que se destacou foi a concordância entre esses modelos, do simples ao complexo. “É surpreendente ver esse nível de concordância para nós mesmos”, diz o estudante de graduação Zhenyao Fang, que liderou a parte teórica deste estudo. "Alguns modelos são puramente derivados de teorias físicas e alguns são modelos numéricos derivados de métodos de primeiros princípios, então é surpreendente observar esse tipo de acordo entre eles."

Agora, graças a uma combinação de dados mais limpos e modelos teóricos robustos , essa coesão entre a teoria e os experimentos demonstrados neste artigo representa um grande passo à frente, diz Wu. “A concordância entre experimento e teoria é extremamente boa”, acrescenta. "Aqui nós fornecemos um exemplo de uma combinação abrangente de experimento e compreensão teórica, e isso pode ser aplicado a muitos outros novos materiais ou sistemas que serão descobertos no futuro."

Como o CoSi pertence a uma família de materiais com uma estrutura de cristal muito comum, o material pode ser usado em ligas com magnetismo que são projetadas para ter propriedades magnéticas topológicas mais complexas devido à capacidade de controlar seu projeto átomo por átomo.

Este trabalho também é uma vitrine da experiência de Penn em física topológica e abre caminho para o futuro progresso experimental e teórico neste campo na Universidade, diz Rappe. “Agora temos um grupo vibrante que une esforços em eletrônica topológica e fotônica”, diz ele. "A física topológica está crescendo e abrimos um caminho que outras pessoas podem seguir com outros materiais para projetar propriedades optoeletrônicas desejáveis."

 

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