Pesquisadores revelam a realidade do transporte de energia sem perdas em isolantes topológicos

Os isolantes topológicos levantam a esperança emocionante de realizar transporte de energia sem perdas, o que é verdade em temperaturas ultrabaixas. No entanto, os isolantes topológicos falham em manter essa “mágica” sem perdas em temperatura ambiente.

Pesquisadores da Universidade Monash, parte do Centro FLEET, descobriram novos insights sobre a eficiência de isolantes topológicos, iluminando a disparidade significativa entre seu transporte mágico de energia sem perdas em temperaturas ultrabaixas e os problemas prejudiciais que surgem em temperatura ambiente.

O estudo, que foi publicado em Nanoescalainvestiga por que os isolantes topológicos enfrentam sérios desafios para manter suas características em um ambiente de trabalho prático, particularmente pelo papel das interações elétron-fônon.

Os isolantes topológicos, particularmente os isolantes topológicos bidimensionais (2D), são bem conhecidos por sua característica única de conduzir eletricidade através do limite/borda enquanto a superfície principal permanece eletricamente isolante.

Esse recurso exclusivo permite o transporte de portadora unidirecional sem retrodispersão, com a resistência elétrica induzida por dispersão insignificante resultante dando origem a expectativas de transporte de portadora sem dissipação.

De fato, em temperaturas ultrabaixas, esses isolantes topológicos frequentemente exibem transporte de portadora sem dissipação, alinhando-se com a expectativa. No entanto, sustentar essa característica enfrenta um sério desafio quando as temperaturas sobem em direção à temperatura ambiente, onde os fônons (quanta de vibrações de rede) entram em jogo com as portadoras.

O papel das interações elétron-fônon

Este estudo fornece uma análise completa da interação entre portadora e fônon, e do transporte de energia no isolante topológico 2D sob diferentes temperaturas.

A interação entre elétron e fônon (ou seja, interações elétron-fônon) desempenha um papel crucial no aumento significativo da resistência elétrica observada.

A modelagem teórica revelou que o espalhamento elétron-fônon é uma fonte significativa de retroespalhamento nos estados de borda topológicos, com a força das interações fortemente correlacionada à dispersão dos estados de borda eletrônicos.

As interações aumentam significativamente com a temperatura e são muito mais fortes nos estados de borda não linearmente dispersos das bordas nativas em comparação aos estados de borda linearmente dispersos das bordas passivadas, causando uma dissipação de energia significativa na faixa de temperatura de 200–400 K.

Portanto, este estudo esclarece a divergência entre o desempenho em temperatura ultrabaixa e na temperatura prática da sala de operação.

“Como consideramos dispersões de borda lineares e não lineares neste estudo, nossos resultados podem ser aplicáveis ​​a uma ampla gama de isolantes topológicos”, disse Enamul Haque, principal autor do estudo.

A compreensão fundamental aprimorada do papel do espalhamento elétron-fônon nas bordas de isolantes topológicos 2D é considerada vital para o progresso da tecnologia de eletrônicos futuros baseados em isolantes topológicos 2D. No entanto, trabalhos anteriores se concentraram amplamente em estados de superfície de isolantes topológicos 3D e superfícies isolantes de isolantes topológicos 2D.

“Nossas descobertas podem desempenhar um papel crucial no avanço das aplicações de isolantes topológicos em dispositivos eletrônicos práticos”, diz Haque.

O entendimento deste estudo pode orientar a busca por novos materiais quânticos ou como superar as limitações existentes. Ao superar esses problemas em temperatura ambiente, os cientistas podem avançar na realização de aplicações de potencial total de isolantes topológicos em tecnologias práticas, por exemplo, transistores quânticos e dispositivos quânticos.

“Uma compreensão clara das interações elétron-fônon nos estados de borda topológicos pode ajudar a desenvolver uma forte decoerência quântica em qubits, o que potencialmente aumentaria a estabilidade e a escalabilidade dos computadores quânticos”, disse o professor Nikhil Medhekar, pesquisador principal e investigador chefe do FLEET.