Visualizando os modos de contorno da onda de densidade de carga em um material topológico

Ondas de densidade de carga são fenômenos quânticos que ocorrem em alguns materiais, que envolvem uma modulação estática de elétrons de condução e a distorção periódica da rede. Essas ondas foram observadas em vários materiais de matéria condensada, incluindo supercondutores de alta temperatura e sistemas Hall quânticos.

Embora muitos estudos tenham investigado esses estados, até agora as observações experimentais dos estados de contorno que emergem das ondas de densidade de carga ainda são escassas. Em um artigo recente, publicado em Física da Naturezapesquisadores da Universidade de Princeton e outros institutos em todo o mundo visualizaram os modos de volume e de contorno da onda de densidade de carga no material topológico Ta₂Se₈EU.

“Nosso grupo de pesquisa se concentra em descobrir e investigar novas propriedades topológicas da matéria quântica utilizando várias técnicas experimentais de última geração que sondam a estrutura eletrônica dos materiais”, disse Maksim Litskevich, coautor do artigo, ao Phys.org. “Nos últimos anos, a comunidade da física tem experimentado entusiasmo explorando as propriedades intrigantes e ricas dos materiais Kagome, que entrelaçam intrincadamente geometria, topologia e interações eletrônicas.”

Litskevich e seus colegas foram pioneiros no estudo de ondas de densidade de carga. Alguns anos atrás, eles descobriram a coexistência de uma onda de densidade de carga, um estado quântico de muitos corpos caracterizado por uma modulação espacial da carga eletrônica e uma lacuna de energia isolante, e um modo de borda sem lacuna em FeGe, um dos materiais Kagome.

Embora os pesquisadores tenham observado esses dois estados coexistentes em FeGe, isso não implica necessariamente que um estado causou o outro. Na verdade, o estado de borda também pode ser trivial (não topológico) ou pode, alternativamente, originar-se de uma topologia que não está relacionada à onda de densidade de carga.

“Inspirada pelo estudo dos compostos de Kagome, nossa equipe de pesquisa continuou a busca por uma ligação entre a onda de densidade de carga e a topologia, voltando a atenção para um composto quase unidimensional, Ta₂Se₈I, que exibe propriedades topológicas e passa por uma transição para o estado de onda de densidade de carga (abaixo de -10 graus Celsius)”, disse Litskevich.

“De forma emocionante, nossas medições de microscopia de tunelamento de varredura revelaram um modo de contorno dentro da lacuna (estado de borda) dentro de um estado de onda de densidade de carga de baixa temperatura, seguido por seu desaparecimento no estado semimetálico de Weyl de alta temperatura.”

Litskevich e seus colegas descobriram que a periodicidade espacial e a fase das oscilações do modo de contorno que observaram estavam intimamente relacionadas às características da onda de densidade de carga em Ta₂Se₈I. Essa relação codependente sugere que há uma relação inerente entre o modo de contorno e a onda de densidade de carga, uma hipótese que eles posteriormente confirmaram por meio de modelagem teórica.

“Pela primeira vez, preenchemos a lacuna entre os sistemas de ondas topológicas e de densidade de carga, marcando um passo progressivo em direção à desvendação das complexidades do mundo quântico”, disse Litskevich.

Para realizar seus experimentos, os pesquisadores empregaram uma técnica experimental chamada microscopia de tunelamento de varredura (STM). A STM, que depende de sondas finas e longas, semelhantes a agulhas, para obter imagens de materiais no nível atômico, permitiu que eles investigassem e examinassem de perto o material quase-1D Ta₂Se₈EU.

“Realizamos nossas medições no Omicron LT STM (LT = baixa temperatura) em uma faixa de temperatura de 160 K a 300 K (-113 a 27 graus Celsius) em condições de vácuo ultra-alto”, disse Litskevich. “O STM utiliza um fenômeno de tunelamento quântico entre uma ponta metálica afiada e a superfície condutora da amostra. Devido ao tunelamento quântico, elétrons móveis podem vazar entre a ponta e a amostra, produzindo assim uma pequena corrente elétrica detectada pelos componentes eletrônicos sensíveis.”

A corrente de tunelamento detectada pelas sondas STM é subsequentemente usada para obter imagens da superfície de materiais com definição subatômica. Ao analisar a magnitude da corrente como uma função da voltagem aplicada (uma técnica conhecida como espectroscopia de tunelamento), os pesquisadores também foram capazes de mapear a população de elétrons no material por níveis de energia.

“Em relação ao nosso composto em estudo, Ta₂Se₈Eu, a imagem STM nos permitiu identificar o estado de onda de densidade de carga destacando a diferença na corrente elétrica produzida pelas regiões de baixa e alta carga”, disse Litskevich. “Além disso, ao direcionar nossa corrente de tunelamento da ponta para a borda atomicamente afiada da amostra, detectamos um modo de limite in-gap no estado de onda de densidade de carga de Ta₂Se₈EU.”

Litskevich e seus colegas observaram a primeira visualização de um modo de contorno topológico único decorrente da onda de densidade de carga de Ta₂Se₈I. A observação deste modo melhora a compreensão das ondas de densidade de carga, abrindo caminho para estudos futuros neste campo.

“O modo de limite topológico que observamos, associado à onda de densidade de carga, exibe uma topologia única, distinta dos modos de borda Hall de spin quântico tradicionais”, disse Md Shafayat Hossain, coautor do artigo, ao Phys.org. “Em vez do fluxo espectral usual da magnitude do momento associado, observamos um ‘pseudo fluxo espectral’ da fase do momento. Especificamente, a fase do vetor de onda da onda de densidade de carga permanece sem lacunas e conecta as fases do volume com lacunas, representando um estado altamente exótico.”

Os pesquisadores descobriram que a lacuna isolante induzida pela onda de densidade de carga em Ta₂Se₈I e seu modo de limite dentro da lacuna são notavelmente robustos, persistindo em temperaturas de até 260 K. Essa robustez de temperatura pode ser favorável para várias aplicações e pode facilitar o desenvolvimento de novas tecnologias que aproveitem esse modo.

“As implicações de nossas descobertas são multifacetadas”, disse Hossain. “O estado fundamental da fase de carga ordenada em Ta₂Se₈I (nossa plataforma material) é previsto para ser um isolante de áxions, uma fase altamente procurada da matéria. No entanto, descobrimos que Ta₂Se₈“Não possui o estado de superfície topológico esperado de um isolante de áxion não magnético.”

Embora as observações reunidas por Litskevich, Hossain e seus colegas destaquem a natureza topológica da fase de carga ordenada, elas lançam dúvidas sobre algumas interpretações teóricas anteriores. Especificamente, eles sugerem que, em contraste com hipóteses anteriores, Ta₂Se₈Talvez eu não seja um isolante de áxions.

“Prevemos que nosso trabalho inspirará a comunidade científica mais ampla a buscar fases CDW (simetria quebrada) adicionais em materiais topológicos, avançando assim a compreensão da interação entre esses novos fenômenos”, disse Hossain. “No grupo do Prof. Zahid Hasan em Princeton, estamos dedicando esforços focados para descobrir novas fases quânticas da matéria.”

A nova fase identificada por esta equipe de pesquisa abre novos caminhos de pesquisa interessantes. Com base em sua descoberta recente, Litskevich, Hossain e seus colegas agora planejam explorar novos fenômenos quânticos emergentes da interação entre ondas de densidade de carga e a topologia de um material. Por exemplo, eles examinarão ainda mais os paralelos conhecidos entre ondas de densidade de carga e supercondutividades.

“Assim como o entrelaçamento de topologia e supercondutividade leva à supercondutividade topológica — uma plataforma altamente promissora para computações quânticas topológicas — ondas de densidade de carga topológicas também podem ser importantes para futuras computações quânticas e nanotecnologias”, acrescentou Hossain. “Pretendemos explorar essas possibilidades mais a fundo. Nosso objetivo imediato é determinar os parâmetros de ordem associados a esse estado quântico exótico.”

Em seus próximos estudos, Hossain e seus colegas também planejam investigar outros materiais quânticos exibindo ondas de densidade de carga, em busca de fenômenos semelhantes. Finalmente, eles continuarão sua busca para descobrir novos fenômenos em materiais quânticos e esperam que isso leve a novas descobertas interessantes.

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