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A topologia desempenha um papel enorme na física moderna da matéria condensada e além. Ele descreve como os materiais sólidos podem combinar duas propriedades muito diferentes e um tanto contraditórias – por exemplo, isolantes topológicos são materiais cuja massa atua como isolante, mas cujas superfícies e arestas podem conduzir eletricidade mesmo assim. Nas últimas décadas, o conceito de topologia mudou completamente a maneira como os cientistas pensam sobre a estrutura eletrônica e as propriedades dos materiais. Além disso, abriu caminho para aplicações tecnológicas que incorporam materiais topológicos em eletrônica.
Ao mesmo tempo, a topologia é bastante complicada de medir, muitas vezes exigindo combinações de várias técnicas experimentais, como fotoemissão e medições de transporte. Um método conhecido como espectroscopia de alto harmônico surgiu recentemente como uma técnica chave para observar a topologia de um material. Nesta abordagem, um material é irradiado por intensa luz laser. As interações entre os elétrons do material e o laser resultam na emissão de um espectro óptico de banda larga – que contém pistas sobre a fase topológica do sólido. Com a ajuda de cálculos teóricos, essas pistas podem ser extraídas para medir a topologia do material.
No entanto, teóricos do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo, Alemanha, agora relatam em Revisão Física X que eles não encontraram nenhuma evidência de assinaturas topológicas universais depois de realizar o primeiro ab initio investigação da geração de altos harmônicos a partir de isoladores topológicos. Concentrando-se em um isolador de Hall de spin quântico em uma monocamada de átomos de bismuto e um isolador de Hall anômalo quântico em uma única monocamada de Na3Bi, os pesquisadores questionaram as suposições subjacentes da espectroscopia topológica de harmônicos altos: que as informações topológicas são impressas nos espectros emitidos e podem ser posteriormente extraídas.
“Nós nos propusemos especificamente a evitar aproximações comuns e modelos simplificados”, explica o principal autor Ofer Neufeld. “Nesta análise vasta e minuciosa, não conseguimos identificar nenhuma assinatura topológica universal, sugerindo que é improvável que tais assinaturas existam. Mesmo que à primeira vista algumas características pareçam fortemente correlacionadas com uma propriedade topológica, sempre que cavamos em sua origem, nunca foi topológico.”
Em vez disso, os aspectos não topológicos do sistema dominaram sua resposta, sugerindo que a topologia pode desempenhar um papel menor do que se pensava anteriormente. “Por exemplo, um sólido pode reagir de forma diferente à luz do laser que é polarizada elipticamente para a esquerda ou para a direita”, explica Nicolas Tancogne-Dejean, o segundo autor do artigo. “Inicialmente, pode parecer que essa resposta típica se origina na topologia. No entanto, em um exame mais detalhado, esse efeito resulta da estrutura do cristal, e não da estrutura topológica.”
As descobertas da equipe levantam questões importantes sobre o uso potencial da topologia para aplicações em óptica altamente não linear. Em uma nota mais positiva, os teóricos do MPSD enfatizam que eles não descartam a existência de assinaturas topológicas na geração de harmônicos altos. No entanto, eles argumentam que outros aspectos não topológicos do material geralmente dominam os espectros resultantes, como a estrutura da banda, a simetria da rede e a natureza química dos orbitais participantes. “Esperamos que nosso estudo não apenas forneça um ‘conto de advertência’ para alertar outras pessoas sobre impressões digitais topológicas potencialmente enganosas, mas, mais importante, que motive a comunidade a apresentar ideias mais complexas e robustas sobre como medir a topologia por meio de métodos não lineares. óptica”, conclui Neufeld.
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