Estado híbrido quântico nunca antes visto descoberto na superfície do arsênico: WebCuriosos

Os físicos acabaram de encontrar algo que ninguém esperava, escondido na superfície de um cristal de arsênico.

Ao realizar um estudo de topologia quântica – o comportamento ondulatório das partículas combinado com a matemática da geometria – uma equipe encontrou um estranho híbrido de dois estados quânticos, cada um descrevendo um meio diferente de corrente.

“Essa descoberta foi completamente inesperada”, diz o físico M. Zahid Hasan da Universidade de Princeton. “Ninguém previu isso em teoria antes de sua observação.”

A topologia está se tornando cada vez mais importante na compreensão do comportamento de materiais que só podem ser descritos por suas propriedades ondulatórias, conhecidas como matéria quântica. Preocupada com a geometria de estruturas que não mudam efetivamente quando dobradas ou deformadas (mas podem mudar se forem quebradas ou perfuradas), a topologia tem o potencial de afetar a atividade quântica dos materiais de várias maneiras.

Muitas dessas pesquisas envolvem compostos à base de bismuto, já que o bismuto é um isolante topológico eficiente – um material cuja camada externa atua como condutora de atividade e a interna atua como isolante. Isso significa que os elétrons internos estão imóveis, mas os da superfície e das bordas podem se mover livremente.

Comumente usado em materiais semicondutoreso arsênico também pode comportar-se como um isolante topológico. Os físicos, incluindo Hasan e sua equipe, têm procurado novos estados quânticos em isolantes topológicos, particularmente aqueles que podem operar à temperatura ambiente.

Os materiais à base de bismuto forneceram muitos insights, mas requerem altas temperaturas e são complicados de sintetizar e preparar. O arsénico, por outro lado, pode ser cultivado numa forma mais limpa que o bismuto e mais simples de preparar. Então os pesquisadores cultivaram cristais de arsênico cinzaque tem aparência metálica, e campos magnéticos aplicados.

Em seguida, eles sondaram a amostra usando microscopia de varredura por tunelamento (STM), que produz imagens em escalas subatômicas, e espectroscopia de fotoemissão, que mediu os estados de energia dos elétrons.

Eles encontraram estados de superfície – estados de elétrons que fluem ao longo de superfícies “sem intervalos” de alguns tipos de isolante topológico – o que era bom e normal. Mas ninguém esperava o que mais encontraram – estados extremos que existem nos limites de um tipo completamente diferente de isolante topológico e nunca antes foram vistos lado a lado com estados de superfície.

“Ficamos surpresos” diz o físico Md. Shafayat Hossain da Universidade de Princeton. “Supunha-se que o arsênico cinza tinha apenas estados superficiais. Mas quando examinamos as bordas dos degraus atômicos, também encontramos belos modos de borda condutora.”

Eles só puderam concluir que o que estavam observando era um estado híbrido que ninguém jamais havia visto antes.

“Normalmente, consideramos que a estrutura da banda em massa de um material se enquadra em uma das várias classes topológicas distintas, cada uma ligada a um tipo específico de estado limite,” diz o físico David Hsieh do Caltech, que não esteve envolvido na pesquisa.

“Este trabalho mostra que certos materiais podem cair simultaneamente em duas classes. O mais interessante é que os estados limites emergentes destas duas topologias podem interagir e reconstruir num novo estado quântico que é mais do que apenas uma superposição das suas partes.”

A descoberta poderia desbloquear um novo tipo de materiais quânticos, que por sua vez poderia avançar a pesquisa em física quântica, bem como tecnologias como a computação quântica.

“Prevemos que o arsénico, com a sua topologia única, pode servir como uma nova plataforma a um nível semelhante para o desenvolvimento de novos materiais topológicos e dispositivos quânticos que não são actualmente acessíveis através das plataformas existentes,” Hasan diz.

“Uma nova e emocionante fronteira na ciência dos materiais e na nova física o aguarda!”

A pesquisa foi publicada em Natureza.