Físicos demonstram comportamento de material isolante que transporta energia
Experimentos ampliam conhecimento sobre física quântica e abrem caminho para aplicações em computação e sensores sem perdas de energia
Pesquisadores do Instituto de Física (IF) da USP, em parceria com laboratórios internacionais, demonstraram experimentalmente o comportamento de uma nova classe de materiais: os isolantes topológicos quânticos. O estudo descreve os mecanismos que levam esse tipo de material a funcionar ao mesmo tempo como isolante em seu volume, mas também como condutor, transportando energia sem os elétrons se comportarem como cargas elétricas na superfície. Além de avançar no entendimento dos fenômenos que envolvem a física quântica, as conclusões do trabalho contribuirão para o desenvolvimento futuro de novos dispositivos de computação e sensores quânticos, além de tecnologias de transporte de energia sem perdas.
“Embora ainda não se conheça o comportamento geral dos elétrons, descobertas recentes mostram que a manifestação dos elétrons têm uma natureza que vai além de serem considerados unicamente partículas”, explica ao Jornal da USP o professor Julio Larrea, do IF, que coordenou a pesquisa. “No regime quântico, os elétrons têm, além da manifestação de partículas, uma manifestação de energia chamada de excitações de baixa energia, resultado da presença das flutuações quânticas. Aqui encontramos uma diferença marcante do entendimento dos elétrons na física clássica, onde os elétrons são descritos como partículas, tendo massa e carga elétrica, e ainda influenciadas unicamente por flutuações térmicas”.
“Outra diferença notável é o spin [movimento angular do elétron], que representa uma manifestação puramente quântica e conduz o elétron a adotar ainda mais dois estados quânticos do que na física clássica, o spin para cima (spin-up) e o spin para abaixo (spin-down)”, descreve Larrea.
Tanto as excitações de baixa energia como o spin podem produzir novos estados quânticos quando são acopladas por interações entre eles, ou quando são influenciados por simetrias muito particulares. “Isto pode produzir ainda estados quânticos muito robustos, que são protegidos por simetrias peculiares, o que leva à formação de um novo tipo de material: os materiais topológicos quânticos”.
De acordo com o professor, em um material tridimensional, espera-se que um isolante do tipo topológico se comporte como um isolante dentro de seu volume, mas como condutor em sua superfície, diferindo do convencional, ou não topológico, que se caracteriza por ser unicamente isolante. “Além disso, em um isolante topológico, o transporte na superfície envolve exóticas quasipartículas [movimentação em uma mesma direção] de baixa energia ou o spin, ambas sem massa, o que permite visibilizar um transporte e armazenamento de energia e de informação, reduzindo significativamente os processos dissipativos”, enfatiza.
Os resultados dos experimentos são descritos em artigo publicado no periódico Nature Communications.
Transporte de energia
Larrea afirma que a manifestação das excitações de baixa energia e do spin tem um papel fundamental nas propriedades físicas que definem uma nova física, a dos materiais quânticos. “No modelo clássico, um bom condutor, como o cobre, pode ser definido como um meio que transporta os elétrons sobre a influência da aplicação de um campo elétrico ou diferença de potencial”, descreve.
“Como as partículas são massivas, a velocidade de arrasto dos elétrons faz com que comecem a colidir, levando a um processo dissipativo de energia durante o transporte. Como consequência, é observado um aquecimento do condutor, que representa uma perda da eficiência do transporte da corrente elétrica, conhecida como a propriedade física de resistividade elétrica do material”.
Por outro lado, explica ele, no limite quântico, a situação do transporte pode surgir de forma bem diferente e reduz processos dissipativos. Além da carga, o transporte pode se dar por outros graus de liberdade quânticos como o spin do elétron, ou, pelas excitações de baixa energia que podem formar diferentes tipos de quasipartículas. “Em ambos os casos, devido ao fato de que nenhum destes agentes de transporte possuem massa, o transporte reduz suas perdas em processos dissipativos. Portanto, o transporte pode estender sua funcionalidade, não só se limitando ao transporte da corrente elétrica, mas estendendo seu transporte para transporte de informação ou simplesmente de energia”, destaca o professor.
Segundo Larrea, a informação sobre como os elétrons se comportam no nível quântico é proporcionada pelos níveis de Landau, que são órbitas onde os elétrons são confinados pela presença de um campo magnético, apresentado um movimento do tipo circular ou espiral, também chamado de ciclotrônico, com energias discretas [com valores fixos] que são consequência da interação entre a carga e campo magnético no limite quântico. “Embora seja muito almejado acessar aos níveis de Landau para revelar a manifestação dos fenômenos quânticos associados ao elétron, sua medida experimental continua representando um desafio”, relata.
Isto acontece devido ao fato de que medidas de propriedades físicas são feitas em plataformas inovativas chamadas de home-built, que para atingir o limite quântico, devem ser feitas a funcionar em condições extremas de baixíssimas temperaturas, próximas do zero absoluto, e de campos magnéticos muito altos. “Um dos poucos experimentos disponíveis para tal propósito são as medidas das oscilações quânticas nos experimentos de resistência elétrica em função do campo magnético, ou de magnetorresistência, conhecidos como experimentos de Shubnikov-de Haas (SdH)”.
Para revelar evidências experimentais do estado isolante topológico quântico, experimentos de SdH foram realizados no cristal ZrTe5, pentatelurato de zircônio, em condições extremas de temperaturas muito baixas (de até 0.5 K) e de altos campos magnéticos pulsados (de até 65 T) no laboratório de High Magnetic Fields (HMF) de Los Alamos, nos Estados Unidos. “Devido à complexidade destes experimentos em condições extremas, eles são feitos apenas em laboratórios especializados e de ponta, chamados de Big User Facility Lab, como o HMF”, aponta o professor. “As medidas de SdH em diferentes temperaturas revelam oscilações da resistência elétrica do material na razão inversa do campo magnético. Além disso, para obter informação das amplitudes das oscilações, medidas adicionais de SdH foram feitas em diferentes ângulos de orientação do cristal em relação ao campo magnético”.
Conhecimentos básicos
“Os resultados das medidas de SdH em temperaturas muito baixas mostram oscilações quânticas anômalas. Este resultado é inesperado, se comparado com resultados anteriores no ZrTe5 e em outros isolantes topológicos, onde se reportam oscilações quânticas periódicas”, destaca Larrea. “Além disso, observamos que as amplitudes das oscilações não diminuem com o aumento da temperatura como é esperado. Em vez disso, as amplitudes atingem um mínimo em uma certa temperatura, para depois aumentarem com temperaturas mais altas”.
Para interpretar estes resultados inusitados, a pesquisa desenvolveu um modelo teórico sem interação entre elétrons, ou, também chamada de modelo single-particle. “Nesse caso, o spin do elétron desempenha um papel fundamental, pois os estados para cima e para baixo se desdobram na presença de campo magnético, fenômeno conhecido como efeito Zeeman”, afirma o professor. “Quando se aplica os campos magnéticos intensos, a interação com o spin modifica profundamente a energia dos elétrons. Como resultado, níveis de Landau que normalmente deveriam se afastar da energia relevante do sistema podem ‘voltar’ e cruzá-la novamente. Esse comportamento incomum é o que chamamos de níveis de Landau reentrantes”
“De forma simples, a energia desses níveis não evolui de forma monotônica com o campo magnético. Em vez disso, ela pode se curvar e cruzar novamente o nível de Fermi [preenchimento de elétrons em um sistema quântico], levando consigo a natureza das interações do spin”, ressalta Larrea. “Como consequência, este mecanismo seria responsável por novas oscilações não periódicas, não previstas pela teoria convencional”.
O professor do IF diz que a pesquisa considera dois fenômenos quânticos com escalas de energia coexistindo: a energia dos níveis de Landau, associada ao movimento orbital dos elétrons no campo magnético, e a energia do efeito Zeeman, resultado da interação entre o campo magnético e o spin dos elétrons.
“Nossos resultados no ZrTe₅, mostram que em materiais com forte interação spin-órbita, estes fenômenos não podem ser
tratados separadamente”, diz, ao pontuar que todas estas manifestações do elétron sugerem que o material ZrTe5 está muito próximo de uma transição topológica, proporcionando novas rotas de encontrar novas fases topológicas, a partir da modificação da estrutura eletrônica e simetrias por condições extremas.
“Nossos resultados experimentais e sua interpretação teórica ajuda no avanço da compreensão dos estados topológicos quânticos, resolvendo grandes controvérsias que existiam no estado isolante topológico do ZrTe5. Do lado do conhecimento básico, o material ZrTe5 se apresenta com uma plataforma ideal para investigar que comportamentos dos elétrons são os adequados para estabilizar diferentes fases topológicas quânticas, considerando ou não a interação entre partículas quânticas”, salienta Larrea. “Por exemplo, modificando a topologia da estrutura cristalina, a simetria cristalina localmente, e ainda a interação spin-orbital do elétron, poderíamos duplicar a estrutura eletrônica, conduzindo para uma nova fase topológica conhecida como Weyl semimetal”.
Aplicações
Do lado das aplicações, o professor acrescenta que os materiais topológicos oferecem um futuro promissor para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas. “Eles são berçários de quasiparticulas com excitações de baixa energia e sem massa, estruturas eletrônicas protegidos ante pequenas deformações do nível atômico, de estados de spin e orbitais robustecidos e com transporte sem dissipação, e mais”, afirma. “Estes ingredientes são indispensáveis para a elaboração de novos dispositivos no uso da informação quântica e da computação quântica, de novos sensores quânticos de alta resolução, de transporte de energia sem dissipação e de forma sustentável, entre outros”.
O experimento foi conduzido pelo ex-aluno de doutorado Cauê Kaufmann, orientado pelo professor Julio Larrea, chefe do Laboratory for Quantum Matter under Extreme Conditions (LQMEC) do IF. “Kaufmann desenvolveu tecnicalidades e competências para a montagem de contatos elétricos em cristais muito pequenos, em forma de agulhas, com comprimento milimétrico e frágeis de manipular”, relata Larea. Posteriormente, Kaufmann realizou um intercâmbio durante seu doutorado para realizar os experimentos de SdH nos cristais de ZrTe5, sob coorientação dos pesquisadores do HMF de Los Alamos, Johanna Plastrom e Sean Thomas, financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). O artigo Reentrant Landau levels in a Dirac topological insulator, publicado pela Nature Communications, pode ser consultado neste link.
Texto: Júlio Bernardes; Arte: Livia Bortoletto: Estagiária sob orientação de Simone Gomes
