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Eles são vistos como um farol de esperança para eletrônicos que economizam energia e a alta tecnologia do futuro: materiais quânticos topológicos. Uma de suas propriedades é a condução de elétrons polarizados em sua superfície – mesmo que eles não sejam condutores por dentro. Para colocar isso em perspectiva: em elétrons polarizados por spin, o momento angular intrínseco, ou seja, a direção de rotação das partículas (spin), não é puramente alinhado aleatoriamente.
Para distinguir os materiais topológicos dos convencionais, os cientistas costumavam estudar suas correntes de superfície. No entanto, a topologia de um elétron está intimamente ligada às suas propriedades de onda mecânica quântica e seu spin. Essa relação já foi demonstrada diretamente por meio do efeito fotoelétrico – um fenômeno no qual elétrons são liberados de um material, como o metal, com o auxílio da luz.
Visualizando a topologia de elétrons com “óculos 3D”
O Prof. Giorgio Sangiovanni, membro fundador do ct.qmat em Würzburg e um dos físicos teóricos do projeto, comparou essa descoberta ao uso de óculos 3D para visualizar a topologia dos elétrons. Como ele explica: “Elétrons e fótons podem ser descritos na mecânica quântica como ondas e partículas. Portanto, os elétrons têm um spin que podemos medir graças ao efeito fotoelétrico.”
Para fazer isso, a equipe usou luz de raios-X circularmente polarizada – partículas de luz que possuem um torque. Sangiovanni elabora: “Quando um fóton encontra um elétron, o sinal vindo do material quântico depende se o fóton tem uma polarização à direita ou à esquerda. Em outras palavras, a orientação do spin do elétron determina a força relativa do sinal entre os feixes polarizados à esquerda e à direita. Portanto, este experimento pode ser pensado como óculos polarizados em um cinema 3D, onde também são usados feixes de luz orientados de forma diferente. Nossos ‘óculos 3D’ tornam a topologia dos elétrons visível.”
Liderado pelo Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica – este experimento inovador, juntamente com sua descrição teórica, é a primeira tentativa bem-sucedida de caracterizar materiais quânticos topologicamente. Sangiovanni aponta o papel essencial de um acelerador de partículas no experimento, afirmando: “Precisamos do acelerador de partículas síncrotron para gerar essa luz especial de raios-X e criar o efeito ‘cinema 3D’”.
Matéria quântica, aceleradores de partículas e supercomputadores
A jornada para esse sucesso monumental durou três anos para os pesquisadores. Seu ponto de partida foi o metal kagome TbV6Sn6, um material quântico. Nesta classe especial de materiais, a rede atômica tem uma mistura de redes triangulares e de favo de mel em uma estrutura que lembra uma cesta japonesa. Os metais Kagome desempenham um papel importante na pesquisa de materiais do ct.qmat.
“Antes que nossos colegas experimentais pudessem iniciar o experimento síncrotron, precisávamos simular os resultados para garantir que estávamos no caminho certo. Na primeira etapa, elaboramos modelos teóricos e executamos cálculos em um supercomputador”, diz o Dr. Domenico di Sante , o líder do projeto e um físico teórico, que também é membro associado do Würzburg Collaborative Research Center (SFB) 1170 ToCoTronics. As descobertas das medições se alinharam perfeitamente com as previsões teóricas, permitindo que a equipe visualizasse e confirmasse a topologia dos metais kagome.
Rede internacional de pesquisa
O projeto de pesquisa envolveu cientistas da Itália (Bolonha, Milão, Trieste, Veneza), Reino Unido (St. Andrews), EUA (Boston, Santa Bárbara) e Würzburg. O supercomputador usado para as simulações está em Munique, e os experimentos síncrotrons foram realizados em Trieste. “Estas descobertas de pesquisa ilustram perfeitamente os resultados notáveis que a física teórica e experimental pode produzir quando trabalha em conjunto”, conclui o Prof. Sangiovanni.
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