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‘Aparar’ os estados de borda de um isolador topológico produz uma nova classe de material com transporte de borda ‘bidirecional’ não convencional em um novo estudo teórico da Monash University, Austrália.
O novo material, um isolante cristalino topológico (TCI), constitui uma adição promissora à família de materiais topológicos e amplia significativamente o escopo de materiais com propriedades topologicamente não triviais.
Sua dependência distinta da simetria também abre caminho para novas técnicas de manipulação do transporte de borda, oferecendo aplicações potenciais em futuros dispositivos transistorizados. Por exemplo, ‘comutar’ o TCI através de um campo elétrico que quebra a simetria que suporta a topologia de banda não trivial, suprimindo assim a corrente de borda.
Esta descoberta inovadora avança significativamente a nossa compreensão fundamental de como as correntes de spin viajam em materiais topológicos, fornecendo informações valiosas sobre o comportamento destes sistemas intrigantes.
DESAFIANDO A DEFINIÇÃO COMUM DE ISOLADORES TOPOLÓGICOS
Vamos começar citando a elegante definição de isoladores topológicos segundo a visão da FLEET:
“Os isoladores topológicos conduzem eletricidade apenas ao longo de suas bordas e estritamente em uma direção. Esse caminho unidirecional conduz eletricidade sem perda de energia devido à resistência.”
No entanto, este novo estudo teórico, conduzido pelo grupo computacional da Monash University, desafia essa visão padrão da física topológica ao descobrir um novo tipo de transporte de borda, o que leva a reconsiderar a frase ‘estritamente em uma direção’.
Modificar esta frase não é uma tarefa simples. O material topológico é semelhante a uma grande árvore enraizada no solo sólido de ‘correspondência de borda em massa’, o que significa que as propriedades intrínsecas da massa ditarão a natureza da corrente de borda.
Assim como uma árvore requer poda para manter sua forma e saúde, os estados de borda de um material topológico também precisam ser adaptados para se adaptarem a diversas aplicações em eletrônica e spintrônica.
A equipe de pesquisa alcançou com sucesso o objetivo de extrair um novo tipo de corrente de spin de borda em um material topológico 2D, bismutina planar, propondo um novo método para manipular estados de borda por meio de interações de borda em massa, semelhante ao trabalho de poda feito em rotinas de jardinagem.
Esta descoberta inovadora irá avançar significativamente a nossa compreensão fundamental de como as correntes de spin viajam em materiais topológicos, fornecendo informações valiosas sobre o comportamento destes sistemas intrigantes.
TEXTURA DE SPIN NÃO CONVENCIONAL ESCONDIDA NA TOPOLOGIA PROTEGIDA POR SIMETRIA
O material recém-descoberto, denominado isolante cristalino topológico (TCI), representa uma adição promissora à família de materiais topológicos, operando com base no princípio de que as correntes condutoras de borda permanecem resilientes enquanto existirem simetrias cristalinas específicas dentro do volume.
A descoberta do TCI amplia significativamente o escopo de materiais com propriedades topologicamente não triviais. Sua dependência distinta da simetria também abre caminho para novas técnicas de manipulação do transporte de borda, oferecendo aplicações potenciais em dispositivos transistorizados.
Por exemplo, ao submeter o TCI a um forte campo elétrico, a corrente de borda pode ser suprimida quando a simetria que suporta a topologia de banda não trivial é quebrada. Depois que o campo é removido, as correntes de borda condutoras retornam imediatamente, demonstrando a vantajosa propriedade de comutação sob demanda da TCI, ideal para integração em dispositivos transistorizados.
Além de oferecer uma forma alternativa de proteção topológica, o potencial interessante do TCI vai além. A equipe de pesquisa descobriu um tipo não convencional de transporte de spin escondido na borda do bismuteno bidimensional do TCI, um fenômeno anteriormente esquecido em relatórios anteriores.
“Embora a crença comum seja que o TCI exibe o mesmo modo de transporte de borda observado em isoladores topológicos, onde cada fluxo de corrente de spin (spin-up ou spin-down) viaja estritamente em uma direção, nossas descobertas revelam que o bismuteno planar do TCI hospeda um novo tipo de transporte de spin protegido pela simetria do espelho”, explica o autor principal, Dr. Yuefeng Yin, pesquisador da Monash.
Neste modo, a corrente de spin não está mais confinada a direções fixas ao longo da borda.”
Este modo de transporte de spin recém-descoberto desbloqueia conceitos de design inovadores para dispositivos topológicos, permitindo suporte para “correntes de carga pura sem transporte líquido de spin e correntes de spin puras sem transporte líquido de carga” – uma possibilidade não compreensível na compreensão convencional de materiais topológicos.
“Esta descoberta abre um novo caminho para alcançar o objetivo da FLEET de criar dispositivos eletrônicos de baixo consumo de energia”, acrescenta o autor correspondente, Prof Nikhil Medhekar, também afiliado à Monash.
“Embora fluxos idênticos polarizados por spin viajando em direções opostas possam não parecer imediatamente úteis, eles oferecem novas oportunidades para manipulação de spin que de outra forma seriam inacessíveis em outros materiais topológicos.”
A equipa de investigação prevê que este avanço computacional inspirará mais estudos de acompanhamento, tanto experimentais como teóricos, para aproveitar plenamente o potencial deste novo transporte de borda em aplicações electrónicas e spintrónicas.
EXTRINDO A CORRENTE DE SPIN COM INTERAÇÕES BULK-EDGE
Após a descoberta de uma textura de spin não convencional no bismuteno planar 2D TCI, o objetivo da equipe de pesquisa é extrair as correntes de spin exóticas das bandas de borda emaranhadas, utilizando interações de borda em massa.
O termo ‘interações de borda em massa’ refere-se ao emprego de várias estratégias de ajuste, como a aplicação de campos elétricos externos e potenciais de substrato, para ajustar seletivamente o alinhamento entre as bandas de massa e de borda, preservando a topologia da banda de massa.
“Ao escolher cuidadosamente os fatores de sintonia, podemos isolar ramos específicos dos estados extremos da configuração emaranhada original”, explica o Dr.
“Isso é crucial para uma investigação mais aprofundada da textura de spin não convencional que identificamos. Outra vantagem desta abordagem é que podemos reter a proteção oferecida pela correspondência intacta da borda em massa.”
Através do uso de um grande campo elétrico externo e um fraco potencial de substrato, a equipe de pesquisa pode isolar a textura de spin não convencional dentro da borda, ocultando efetivamente os componentes convencionais de transporte de spin no volume.
Além disso, estas interações de borda permitem a existência de canais de borda condutores mesmo sob a influência de um grande campo elétrico externo, em contraste com o entendimento comum de que a aplicação de um campo elétrico abre um intervalo de banda na região de borda.
A equipe de pesquisa também demonstrou a capacidade de reverter a região de borda de volta a uma configuração de transporte de spin totalmente convencional, semelhante ao observado em isoladores topológicos, aplicando potenciais de substrato a orbitais seletivos.
O professor Nikhil Medhekar comenta “Esta é uma descoberta verdadeiramente notável. Não apenas descobrimos um novo tipo de textura de rotação de borda em materiais topológicos, mas também demonstramos uma maneira eficaz de manipulá-la e preservá-la, mantendo a rigorosa topologia de borda em massa .”
A equipa de investigação prevê que estas inovadoras ‘técnicas de jardinagem topológica’ possam ser estendidas a outros sistemas topológicos, oferecendo meios eficientes e flexíveis para manipular correntes de borda.
Interações de borda em massa para ajustar a textura de rotação da borda do bismuteno planar TCI (imagem do Dr. Yuefeng Yin)
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