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Os pesquisadores de Cornell usaram imagens magnéticas para obter a primeira visualização direta de como os elétrons fluem em um tipo especial de isolante e, ao fazer isso, descobriram que a corrente de transporte se move pelo interior do material, e não pelas bordas, como os cientistas há muito assumiu.
A descoberta fornece novos insights sobre o comportamento do elétron nos chamados isoladores Hall quânticos anômalos e deve ajudar a resolver um debate de décadas sobre como a corrente flui em isoladores Hall quânticos mais gerais. Esses insights informarão o desenvolvimento de materiais topológicos para dispositivos quânticos de próxima geração.
O artigo da equipe, “Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anômalo Hall Insulator”, publicado em 3 de agosto em Materiais da Natureza. O principal autor é Matt Ferguson, Ph.D. ’22, atualmente pesquisador de pós-doutorado no Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids na Alemanha.
O projeto, liderado por Katja Nowack, professora assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências e autora sênior do artigo, tem suas origens no que é conhecido como efeito Hall quântico. Descoberto pela primeira vez em 1980, esse efeito ocorre quando um campo magnético é aplicado a um material específico para desencadear um fenômeno incomum: o interior da amostra torna-se um isolante enquanto uma corrente elétrica se move em uma única direção ao longo da borda externa. As resistências são quantizadas, ou restritas, a um valor definido pela constante universal fundamental e caem para zero.
Um isolador Hall anômalo quântico, descoberto pela primeira vez em 2013, consegue o mesmo efeito usando um material que é magnetizado. A quantização ainda ocorre e a resistência longitudinal desaparece, e os elétrons aceleram ao longo da borda sem dissipar energia, como um supercondutor.
Pelo menos essa é a concepção popular.
“A imagem em que a corrente flui ao longo das bordas pode explicar muito bem como você obtém essa quantização. Mas acontece que não é a única imagem que pode explicar a quantização”, disse Nowack. “Esta imagem de borda tem sido realmente a dominante desde o aumento espetacular de isoladores topológicos a partir do início dos anos 2000. As complexidades das tensões e correntes locais foram amplamente esquecidas. Na realidade, elas podem ser muito mais complicadas do que a imagem de borda sugere.”
Apenas um punhado de materiais são conhecidos como isolantes Hall anômalos quânticos. Para seu novo trabalho, o grupo de Nowack se concentrou no telureto de antimônio de bismuto dopado com cromo – o mesmo composto no qual o efeito Hall anômalo quântico foi observado pela primeira vez há uma década.
A amostra foi cultivada por colaboradores liderados pelo professor de física Nitin Samarth da Universidade Estadual da Pensilvânia. Para digitalizar o material, Nowack e Ferguson usaram o dispositivo supercondutor de interferência quântica de seu laboratório, ou SQUID, um sensor de campo magnético extremamente sensível que pode operar em baixas temperaturas para detectar campos magnéticos assustadoramente minúsculos. O SQUID efetivamente visualiza os fluxos de corrente – que são os que geram o campo magnético – e as imagens são combinadas para reconstruir a densidade de corrente.
“As correntes que estamos estudando são muito, muito pequenas, por isso é uma medição difícil”, disse Nowack. “E precisávamos ir abaixo de um Kelvin em temperatura para obter uma boa quantização na amostra. Estou orgulhoso de termos conseguido isso.”
Quando os pesquisadores notaram que os elétrons fluíam na maior parte do material, não nas bordas dos limites, eles começaram a vasculhar estudos antigos. Eles descobriram que nos anos seguintes à descoberta original do efeito Hall quântico em 1980, houve muito debate sobre onde o fluxo ocorreu – uma controvérsia desconhecida pela maioria dos cientistas de materiais mais jovens, disse Nowack.
“Espero que a nova geração que trabalha com materiais topológicos tome nota desse trabalho e reabra o debate. É claro que não entendemos nem mesmo alguns aspectos muito fundamentais do que acontece nos materiais topológicos”, disse ela. “Se não entendemos como a corrente flui, o que realmente entendemos sobre esses materiais?”
Responder a essas perguntas também pode ser relevante para a construção de dispositivos mais complicados, como tecnologias híbridas que acoplam um supercondutor a um isolador Hall anômalo quântico para produzir estados de matéria ainda mais exóticos.
“Estou curioso para explorar se o que observamos é verdadeiro em diferentes sistemas de materiais. Pode ser possível que em alguns materiais a corrente flua, mas de maneira diferente”, disse Nowack. “Para mim, isso destaca a beleza dos materiais topológicos – seu comportamento em uma medição elétrica é ditado por princípios muito gerais, independentes de detalhes microscópicos. No entanto, é crucial entender o que acontece na escala microscópica, tanto para nossa compreensão fundamental quanto para aplicações . Essa interação de princípios gerais e nuances mais sutis torna o estudo de materiais topológicos tão cativante e fascinante.”
Os co-autores incluem o estudante de doutorado David Low; e os pesquisadores da Penn State Nitin Samarth, Run Xiao e Anthony Richardella.
A pesquisa foi apoiada principalmente pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA, Divisão de Ciências e Engenharia de Materiais.
O crescimento do material e a fabricação de amostras foram apoiados pelo 2D Crystal Consortium – Materials Innovation Platform (2DCC-MIP), que é financiado pela National Science Foundation, na Penn State.
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