A corrente segue um caminho surpreendente no material quântico

Os pesquisadores da Cornell usaram imagens magnéticas para obter a primeira visualização direta de como os elétrons fluem em um tipo especial de isolante e, ao fazer isso, descobriram que a corrente de transporte se move através do interior do material, e não pelas bordas, como os cientistas já haviam feito há muito tempo. assumido.

A descoberta fornece novos insights sobre o comportamento dos elétrons nos chamados isoladores Hall quânticos anômalos e deve ajudar a resolver um debate de décadas sobre como a corrente flui em isoladores Hall quânticos mais gerais. Esses insights informarão o desenvolvimento de materiais topológicos para dispositivos quânticos de próxima geração.

O artigo da equipe, “Visualização direta do transporte eletrônico em um isolador quântico anômalo”, publicado em 3 de agosto na Nature Materials. O autor principal é Matt Ferguson, Ph.D. '22, atualmente pesquisador de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos na Alemanha.

O projeto, liderado por Katja Nowack, professora assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências e autora sênior do artigo, tem origem no que é conhecido como efeito Hall quântico. Descoberto pela primeira vez em 1980, este efeito resulta quando um campo magnético é aplicado a um material específico para desencadear um fenómeno incomum: o interior da amostra a granel torna-se um isolante enquanto uma corrente elétrica se move numa única direção ao longo da borda externa. As resistências são quantizadas, ou restritas, a um valor definido pela constante universal fundamental e caem para zero.

Um isolador Hall anômalo quântico, descoberto pela primeira vez em 2013, consegue o mesmo efeito usando um material magnetizado. A quantização ainda ocorre e a resistência longitudinal desaparece, e os elétrons aceleram ao longo da borda sem dissipar energia, algo como um supercondutor.

Pelo menos essa é a concepção popular.

“A imagem onde a corrente flui ao longo das bordas pode explicar muito bem como você consegue essa quantização. Mas acontece que não é a única imagem que pode explicar a quantização”, disse Nowack. “Essa imagem de borda tem sido realmente dominante desde o surgimento espetacular dos isoladores topológicos, começando no início dos anos 2000. As complexidades das tensões e correntes locais foram em grande parte esquecidas. Na realidade, estes podem ser muito mais complicados do que a imagem periférica sugere.”

Apenas alguns materiais são conhecidos como isolantes Hall anômalos quânticos. Para seu novo trabalho, o grupo de Nowack se concentrou no telureto de antimônio e bismuto dopado com cromo – o mesmo composto no qual o efeito Hall anômalo quântico foi observado pela primeira vez há uma década.

A amostra foi cultivada por colaboradores liderados pelo professor de física Nitin Samarth, da Universidade Estadual da Pensilvânia. Para escanear o material, Nowack e Ferguson usaram o dispositivo supercondutor de interferência quântica de seu laboratório, ou SQUID, um sensor de campo magnético extremamente sensível que pode operar em baixas temperaturas para detectar campos magnéticos assustadoramente minúsculos. O SQUID visualiza efetivamente os fluxos de corrente – que geram o campo magnético – e as imagens são combinadas para reconstruir a densidade da corrente.

“As correntes que estamos estudando são muito, muito pequenas, por isso é uma medição difícil”, disse Nowack. “E precisávamos ir abaixo de um Kelvin na temperatura para obter uma boa quantização na amostra. Estou orgulhoso por termos conseguido isso.”

Quando os pesquisadores notaram que os elétrons fluíam na maior parte do material, e não nas bordas dos limites, eles começaram a pesquisar estudos antigos. Eles descobriram que nos anos que se seguiram à descoberta original do efeito Hall quântico em 1980, houve muito debate sobre onde o fluxo ocorreu – uma controvérsia desconhecida pela maioria dos cientistas de materiais mais jovens, disse Nowack.

“Espero que a nova geração que trabalha com materiais topológicos tome nota deste trabalho e reabra o debate. É claro que nem sequer entendemos alguns aspectos fundamentais do que acontece nos materiais topológicos”, disse ela. “Se não entendemos como a corrente flui, o que realmente entendemos sobre esses materiais?”