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Pela primeira vez, físicos americanos e europeus encontraram uma maneira de ligar e desligar o estado topológico de um material quântico.
Por serem extremamente estáveis e possuírem características imutáveis que não podem ser apagadas ou perdidas por decoerência quântica, os estados topológicos desempenham um papel importante na pesquisa de materiais e na computação quântica. Em um estudo publicado em Comunicações da Naturezapesquisadores da Rice University, da Universidade de Tecnologia de Viena da Áustria (TU Wien), do Laboratório Nacional de Los Alamos e da Universidade Radboud da Holanda descreveram seu método de usar um campo magnético para ativar e desativar um estado topológico em um metal fortemente correlacionado.
“As propriedades topológicas são geralmente encontradas em materiais isolantes com fracas correlações eletrônicas”, disse o coautor do estudo Rice, Qimiao Si, membro da Iniciativa Quântica de Arroz e diretor do Centro de Materiais Quânticos de Arroz (RCQM). “O material que estudamos é metálico e está fortemente correlacionado.”
Materiais quânticos fortemente correlacionados são aqueles em que as interações de bilhões e bilhões de elétrons dão origem a comportamentos coletivos como supercondutividade não convencional ou elétrons que se comportam como se tivessem mais de 1.000 vezes sua massa normal. Embora os físicos tenham estudado materiais topológicos por décadas, eles só recentemente começaram a investigar metais topológicos que hospedam interações fortemente correlacionadas.
Si, um físico teórico, há muito tempo colabora com o autor correspondente do estudo, Silke Bühler-Paschen, no Instituto de Física do Estado Sólido de TU Wien. Os grupos de pesquisa de Si e Bühler-Paschen fizeram descobertas notáveis sobre estados topológicos em materiais quânticos fortemente correlacionados. No final de 2017, o grupo teórico de Si encontrou um estado topológico metálico causado pelo exemplo por excelência da física de forte correlação chamado efeito Kondo, e o grupo experimental de Bühler-Paschen observou o estado em um material composto feito de cério, bismuto e paládio. As duas equipes nomearam o estado fortemente correlacionado da matéria como um semimetal Weyl-Kondo.
No novo estudo, a equipe de Bühler-Paschen descobriu que pequenas impurezas ou distúrbios externos não causaram uma mudança dramática nas propriedades topológicas do material, mas a aplicação de um campo magnético externo em escala de laboratório poderia.
“As fortes correlações de elétrons tornam o semimetal de Weyl-Kondo extremamente responsivo a sondas externas, como um campo magnético”, disse Si, professor de Física e Astronomia de Harry C. e Olga K. Wiess da Rice. “Os elétrons não experimentam o efeito de um campo magnético externo individualmente. Em vez disso, eles se organizam coletivamente, o que amplifica drasticamente a resposta dos materiais ao campo magnético externo.”
Si disse que a natureza metálica do estado topológico se presta a meios versáteis de controle. Si disse que o semimetal Weyl-Kondo tem portadores de carga descritos pela equação de onda relativística de 1929 do físico Hermann Weyl, que dita que eles vêm em duas variedades com quiralidade oposta. Como partículas de matéria e antimatéria, os férmions de Weyl com quiralidade oposta se aniquilam se colidem.
Sem correlações de elétrons, seria impossível gerar um campo magnético com força suficiente para unir os férmions de Weyl de quiralidade oposta, disse Si. Mas fortes correlações no semimetal Weyl-Kondo permitiram que a equipe de Bühler-Paschen usasse um campo externo para forçar os férmions de Weyl a se aniquilarem, desligando assim o estado topológico.
“Você pode até fazê-los desaparecer completamente em um certo ponto”, disse Bühler-Paschen. “Portanto, temos propriedades estáveis e robustas que você pode ativar e desativar seletivamente.”
Os estados topológicos comutáveis podem ser usados para a tecnologia de sensores, disse ela.
Si disse que fortes correlações fazem com que os férmions de Weyl se acoplem à radiação na faixa de micro-ondas, o que é particularmente importante para muitas aplicações técnicas. Ele disse que a tecnologia também pode ser usada para “aplicações totalmente novas e mais exóticas em eletrônica”, incluindo computadores quânticos.
A pesquisa do estudo em Rice foi apoiada pela National Science Foundation (2220603), o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0356) e a Fundação Welch (C-1411).
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade do Arroz. Original escrito por Jade Boyd. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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