Tecnologia Científica

Elétrons na borda: materiais atomicamente finos de spin hall quântico
Essas propriedades helicoidais oferecem soluções potenciais para problemas em eletrônica e spintrônica, bem como em dispositivos eletrônicos quânticos .
Por FLEET - 28/05/2021


O professor assistente Bent Weber de Nanyang (à esquerda) e o Dr. Michael S. Lodge no laboratório Quantum Spin Hall. Crédito da foto: SPMS Communications, College of Science, NTU Singapore.

Isoladores Hall de spin quântico são uma classe de estados topológicos bidimensionais (2D) da matéria que são eletricamente isolantes em seu interior, mas, ao contrário dos semicondutores, carregam um par de estados metálicos unidimensionais (1D), que são estritamente confinados às suas bordas .

Particular para esses elétrons 1D 'nervosos' é que eles são o que os físicos chamam de helicoidais: ou seja, os spins dos elétrons de condução são alinhados e ligados à direção em que os elétrons se movem ao longo da borda 1D, semelhante a um par de spin polarizado unidimensional fios. Essas propriedades helicoidais oferecem soluções potenciais para problemas em eletrônica e spintrônica, bem como em dispositivos eletrônicos quânticos .

Assim como uma folha de papel mantém seus dois lados mesmo quando amassada, as propriedades físicas dos estados de borda metálica de um isolador Hall de spin quântico são notavelmente estáveis ​​contra perturbações - elas são protegidas pela topologia.

Previsto pela primeira vez teoricamente há duas décadas, esse estado exótico e topológico da matéria foi realizado em heteroestruturas semicondutoras em camadas cuidadosamente projetadas.

Mais recentemente, estão surgindo classes de cristais atomicamente finos, semelhantes ao famoso grafeno, que hospeda esse estado eletrônico da matéria como uma propriedade intrínseca.

Em seu artigo na Advanced Materials em abril de 2021 (link abaixo), a equipe analisa os avanços recentes na engenharia de materiais juntamente com a descrição teórica, pesquisando a biblioteca de promissores isoladores Hall de spin quântico atomicamente finos com vista a aplicações de dispositivos eletrônicos quânticos e clássicos.

Por exemplo, a faixa de temperatura na qual os estados de borda exóticos podem ser aproveitados varia com as propriedades desses cristais, como a força de acoplamento do spin do elétron ao seu momento orbital.

Enquanto isoladores Hall de spin quântico baseados em heteroestrutura de semicondutores só foram caracterizados em temperaturas de hélio líquido (T <4,2 K), o progresso recente viu o desenvolvimento de cristais atomicamente finos que retêm suas propriedades Hall de spin quântico de até 100 K, prometendo temperatura ambiente demonstrações no futuro.

Os isoladores Quantum Spin Hall poderiam ser usados ​​para novos tipos de eletrônicos que consomem menos energia, mas isso exigiria operação em temperatura ambiente para evitar resfriamento caro (e que consome muita energia).

Nos extremos de baixa temperatura onde a supercondutividade pode ser induzida, aplicações de computação quântica especialmente promissoras foram previstas. Quando supercondutores, os estados de borda 1D foram previstos para hospedar um tipo exótico de quase-partícula chamado "férmions de Majorana", que não é férmion nem bóson. De fato, esses anyons agem como sua própria antipartícula e obedecem às estatísticas exóticas de quasipartículas não-Abelianas, o que os torna candidatos interessantes como portadores de informação quântica.

Na verdade, devido à sua proteção topológica contra distúrbios externos, esses férmions exóticos foram previstos para oferecer uma solução potencial para um problema comum na computação quântica, que é reter longos tempos de coerência, ou seja, a escala de tempo em que as informações quânticas podem ser armazenadas e processado.

A computação quântica topológica baseada em Majorana é frequentemente considerada um dos problemas físicos mais desafiadores de nosso tempo. Recebeu imensa atenção da mídia e escrutínio, especialmente recentemente, destacando a importância de continuar a pesquisa em materiais alternativos e plataformas de dispositivos em que a computação quântica topológica pode ser realizada.

O artigo, Atomically Thin Quantum Spin Hall Insulators (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee e Bent Weber) foi publicado na Advanced Materials em abril de 2021.

 

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