Tecnologia Científica

Elanãtrons na borda: materiais atomicamente finos de spin hall qua¢ntico
Essas propriedades helicoidais oferecem solua§aµes potenciais para problemas em eletra´nica e spintra´nica, bem como em dispositivos eletra´nicos qua¢nticos .
Por FLEET - 28/05/2021


O professor assistente Bent Weber de Nanyang (a  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 qua¢ntico são uma classe de estados topola³gicos bidimensionais (2D) da matéria que são eletricamente isolantes em seu interior, mas, ao contra¡rio dos semicondutores, carregam um par de estados meta¡licos unidimensionais (1D), que são estritamente confinados a s suas bordas .

Particular para esses elanãtrons 1D 'nervosos' éque eles são o que os fa­sicos chamam de helicoidais: ou seja, os spins dos elanãtrons de condução são alinhados e ligados a  direção em que os elanãtrons 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 eletra´nica e spintra´nica, bem como em dispositivos eletra´nicos qua¢nticos .

Assim como uma folha de papel mantanãm seus dois lados mesmo quando amassada, as propriedades físicas dos estados de borda meta¡lica de um isolador Hall de spin qua¢ntico são notavelmente esta¡veis ​​contra perturbações - elas são protegidas pela topologia.

Previsto pela primeira vez teoricamente háduas décadas, esse estado exa³tico e topola³gico da matéria foi realizado em heteroestruturas semicondutoras em camadas cuidadosamente projetadas.

Mais recentemente, estãosurgindo classes de cristais atomicamente finos, semelhantes ao famoso grafeno, que hospeda esse estado eletra´nico da matéria como uma propriedade intra­nseca.

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 tea³rica, pesquisando a biblioteca de promissores isoladores Hall de spin qua¢ntico atomicamente finos com vista a aplicações de dispositivos eletra´nicos qua¢nticos e cla¡ssicos.

Por exemplo, a faixa de temperatura na qual os estados de borda exa³ticos podem ser aproveitados varia com as propriedades desses cristais, como a força de acoplamento do spin do elanãtron ao seu momento orbital.

Enquanto isoladores Hall de spin qua¢ntico baseados em heteroestrutura de semicondutores são foram caracterizados em temperaturas de hanãlio la­quido (T <4,2 K), o progresso recente viu o desenvolvimento de cristais atomicamente finos que retem suas propriedades Hall de spin qua¢ntico de até100 K, prometendo temperatura ambiente demonstrações no futuro.

Os isoladores Quantum Spin Hall poderiam ser usados ​​para novos tipos de eletra´nicos 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 qua¢ntica especialmente promissoras foram previstas. Quando supercondutores, os estados de borda 1D foram previstos para hospedar um tipo exa³tico de quase-parta­cula chamado "fanãrmions de Majorana", que não éfanãrmion nem ba³son. De fato, esses anyons agem como sua própria antiparta­cula e obedecem a s estata­sticas exa³ticas de quasiparta­culas não-Abelianas, o que os torna candidatos interessantes como portadores de informação qua¢ntica.

Na verdade, devido a  sua proteção topola³gica contra distúrbios externos, esses fanãrmions exa³ticos foram previstos para oferecer uma solução potencial para um problema comum na computação qua¢ntica, que éreter longos tempos de coeraªncia, ou seja, a escala de tempo em que as informações qua¢nticas podem ser armazenadas e processado.

A computação qua¢ntica topola³gica baseada em Majorana éfrequentemente considerada um dos problemas fa­sicos mais desafiadores de nosso tempo. Recebeu imensa atenção da ma­dia e escruta­nio, especialmente recentemente, destacando a importa¢ncia de continuar a pesquisa em materiais alternativos e plataformas de dispositivos em que a computação qua¢ntica topola³gica 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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