Os cientistas têm usado isolantes topológicos para demonstrar efeitos quânticos há mais de uma década, mas...
Física quântica e topologia - juntas
Nos últimos anos, o estudo da topologiaestados da matéria atraiu a atenção de físicos e engenheiros de todo o mundo. Este campo de estudo combina a física quântica com a topologia, um ramo da matemática teórica que estuda propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não essencialmente alteradas. As propriedades topológicas da matéria são importantes tanto do ponto de vista da física fundamental quanto para aplicações em engenharia quântica e nanotecnologia de próxima geração.
Base da topologia quântica
O principal componente do dispositivo utilizado parapesquisa sobre os mistérios da topologia quântica - isolante topológico. O dispositivo exclusivo atua como um isolante interno, o que significa que os elétrons internos não podem se mover livremente e, portanto, não conduzem eletricidade.
Mas os elétrons nas bordas do dispositivo estão livres parase movem e, portanto, são condutores. Graças às propriedades especiais da topologia, os elétrons que fluem ao longo das bordas não sofrem interferência de quaisquer defeitos ou deformações. O novo dispositivo poderá não só melhorar as tecnologias futuras, mas também fornecer uma compreensão mais profunda da própria matéria, explorando as suas propriedades electrónicas quânticas.
Qual é o problema?
Ainda usando materiais e dispositivospara aplicações reais em dispositivos funcionais era problemático. Tudo devido às duras condições da topologia quântica. Sim, existe agora um enorme interesse em materiais topológicos, e as pessoas falam frequentemente sobre o seu grande potencial para aplicações práticas. Mas até que algum efeito topológico quântico macroscópico se manifeste à temperatura ambiente, tudo isso permanecerá apenas um sonho.
O problema é que o ambiente ou a altaas temperaturas criam o que os físicos chamam de “ruído térmico”. Em palavras simples, trata-se de um aumento na temperatura na qual os átomos começam a vibrar fortemente. Isso pode atrapalhar a operação de sistemas quânticos sutis, destruindo assim o próprio estado quântico.
Em particular, em isoladores topológicos estestemperaturas mais altas criam uma situação em que os elétrons na superfície do isolador invadem o interior do isolador. Isso faz com que os elétrons conduzam corrente, o que enfraquece ou destrói o efeito quântico especial.
Existe uma maneira de contornar isso?
Sim, conduzindo tais experiências sob condiçõestemperaturas excepcionalmente baixas - em zero absoluto ou algo assim. Nessas temperaturas incrivelmente baixas, as partículas atômicas e subatômicas param de vibrar e são, portanto, mais fáceis de manipular. No entanto, criar e manter um ambiente ultrafrio é impraticável para muitas aplicações; é caro, complicado e requer uma enorme quantidade de energia.
O que os cientistas fizeram?
Os físicos desenvolveram uma maneira inovadora de contornarproblema. Eles criaram um novo tipo de isolante topológico a partir do brometo de bismuto (fórmula química α-Bi 4 Br 4). É um composto cristalino inorgânico que às vezes é usado para purificação de água e testes químicos. Como observam os autores do estudo, o material não requer pressão enorme ou campo magnético ultra-alto.
Em seu estudo, os cientistas confiaram emO efeito Hall quântico é uma forma de efeito topológico descoberto por Klaus von Klitzing em 1980, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel cinco anos depois. Desde então, as fases topológicas têm sido intensamente estudadas. Os cientistas descobriram muitas novas classes de materiais quânticos com estruturas eletrônicas topológicas, incluindo isoladores topológicos, supercondutores topológicos, ímãs topológicos e semimetais de Weyl. Seu espectro eletrônico é um análogo tridimensional do espectro do grafeno.
A última peça do quebra-cabeça
Para alcançar a quantização à temperatura ambiente, os cientistas usaram a rede kagome.
O termo rede Kagome foi cunhado por um físico japonês.Apareceu pela primeira vez em um artigo de 1951 escrito por Ishiro Shoji sob a direção de Fushimi. A rede kagomes consiste nos vértices e arestas de um mosaico trihexagonal. Ao contrário do nome, essas interseções não formam uma rede matemática. Por sua vez, um mosaico trihexagonal é um dos 11 mosaicos homogêneos no plano euclidiano formado por polígonos regulares. O mosaico consiste em triângulos regulares e hexágonos regulares, dispostos de forma que cada hexágono seja rodeado por triângulos e vice-versa. O nome do mosaico vem do fato de combinar um mosaico hexagonal regular e um mosaico triangular regular.
Isoladores topológicos em uma rede Kagomepode ser projetado para ter cruzamentos de bandas relativísticas e fortes interações elétron-elétron. Ambos são necessários para um novo tipo de magnetismo.
Kagome da rede. Autor: N. Mori
Então os cientistas perceberam que os ímãs Kagome sãoum sistema promissor para busca de fases magnéticas topológicas. Eles próprios são semelhantes aos isolantes topológicos - é tudo uma questão de química atômica adequada e projeto estrutural.
Onde isso leva?
Os pesquisadores acreditam que sua descoberta levará ao desenvolvimento da quântica e da nanotecnologia.
A criação de um novo isolador terá um impacto particularpara o desenvolvimento de tecnologias quânticas da próxima geração. Os pesquisadores também acreditam que a descoberta acelerará o desenvolvimento de materiais quânticos mais eficientes e “verdes”.
O que vem a seguir?
Segundo os cientistas, agora o foco teórico e experimental da equipe de pesquisa está concentrado em duas direções.
Primeiro, os cientistas querem entender o que outrasmateriais topológicos podem operar em temperatura ambiente. E, o mais importante, fornecer a outros especialistas ferramentas e novas técnicas de medição para identificar materiais que funcionarão em temperaturas ambientes e altas.
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