Físicos preveem existência de novo tipo de éxciton

Bruno Uchoa, professor de física da matéria condensada, e Hong-yi Xie, pesquisador de pós-doutorado em física da matéria condensada na Universidade de Oklahoma, publicaram pesquisas na revista Anais da Academia Nacional de Ciências que prevê a existência de um novo tipo de exciton. Essas partículas podem levar ao avanço de futuros dispositivos quânticos.

Excitons são criados quando elétrons e os buracos que eles formam, que são de carga oposta, se ligam. Excitons têm sido observados há muito tempo em isolantes e semicondutores, os materiais que alimentam os computadores modernos. Nesta publicação, Uchoa e Xie previram a existência de um novo tipo de exciton com vorticidade finita, chamado de “exciton topológico”, que existe em uma classe de materiais conhecidos como isolantes de Chern.

Topologia é um ramo da matemática que estuda as propriedades de formas e superfícies que não mudam, mesmo quando esticadas, torcidas ou dobradas. Por exemplo, um donut com um furo no meio e uma caneca com um furo na alça descrevem superfícies que pertencem à mesma classe topológica porque cada uma pode ser continuamente deformada na outra.

Cientistas usam ideias topológicas para descrever materiais com propriedades eletrônicas que não são afetadas por imperfeições. Churn se refere a uma classe em topologia onde as principais características das formas podem ser representadas por números inteiros.

“Isoladores Chern são materiais que permitem que elétrons orbitem a borda de um material, mas não conduzem nenhuma eletricidade internamente”, disse Uchoa. “Eles, no entanto, formam espontaneamente correntes unidirecionais fluindo no sentido horário ou anti-horário ao longo das bordas de um material bidimensional. Essas correntes unidirecionais são medidas precisamente em unidades básicas de corrente.”

Neste trabalho, Uchoa e Xie previram que, sob condições bem definidas, excitons criados pela luz brilhante através de isoladores de Chern herdariam as propriedades topológicas não triviais dos elétrons e buracos no material hospedeiro. Esta previsão é poderosa porque é baseada em conceitos fundamentais em vez de simulações de computador.

“Em isolantes, a luz excita elétrons da banda de valência onde eles normalmente vivem para a banda de condução onde eles podem se mover livremente”, disse Unchoa. “Quando essas duas bandas são topologicamente distintas, os excitons resultantes são topológicos eles mesmos. Uma vez que esses excitons decaem liberando energia, eles foram previstos para emitir espontaneamente luz polarizada circularmente.”

De acordo com Xie, esses excitons topológicos poderiam ser usados ​​para projetar uma nova classe de dispositivos ópticos. Em baixas temperaturas, os excitons poderiam formar um novo tipo de superfluido neutro que poderia ser usado para criar poderosos emissores de luz polarizada ou dispositivos fotônicos avançados para computação quântica.

“A previsão dessa partícula composta pode ajudar a desenvolver novos dispositivos optoeletrônicos baseados em topologia”, disse Uchoa. “Não só pode ajudar em aplicações de comunicação quântica, mas também pode ajudar a projetar qubits que têm dois estados emaranhados, ligado e desligado, com base na vorticidade ou polarização da luz emitida. Estou muito animado com essas possibilidades.”