Liberando estados exóticos da matéria: RIKEN prova que arestas são desnecessárias

Por RIKE 5 de junho de 2023

Os físicos da RIKEN demonstraram um estado quântico único chamado efeito Hall anômalo quântico em um dispositivo semelhante a um disco, provando que os estados de borda não são necessários para este processo. A equipe demonstrou o bombeamento de carga de Laughlin em um isolador Hall anômalo quântico usando um disco em forma de rosca composto por diferentes isoladores topológicos magnéticos. Esta descoberta expande o potencial para a descoberta de mais novos fenômenos eletrônicos em tais materiais.

Ao contrário do que se esperava, os experimentos mostram que não são necessárias arestas para realizar um efeito quântico incomum.

Os físicos da RIKEN criaram pela primeira vez um estado quântico exótico em um dispositivo com geometria semelhante a um disco, mostrando que bordas não são necessárias. Esta demonstração abre caminho para a realização de outros novos comportamentos eletrônicos.

A física há muito deixou de lado os três estados clássicos da matéria: sólido, líquido e gasoso. Uma melhor compreensão teórica dos efeitos quânticos nos cristais e o desenvolvimento de ferramentas experimentais avançadas para sondá-los e medi-los revelaram uma série de estados exóticos da matéria.

Um exemplo proeminente disso é o isolante topológico: um tipo de sólido cristalino que exibe propriedades totalmente diferentes em suas superfícies do que no resto do material. A manifestação mais conhecida disso é que os isoladores topológicos conduzem eletricidade em suas superfícies, mas são isolantes em seu interior.

Outra manifestação é o chamado “efeito Hall quântico anômalo”.

Conhecido há mais de um século, o efeito Hall convencional surge quando uma corrente elétrica que flui através de um condutor é desviada de uma linha reta por um campo magnético aplicado perpendicularmente à corrente. Esta deflexão produz uma tensão através do condutor (e uma resistência elétrica correspondente).

Figura 1: A estrutura semelhante a um donut do dispositivo usado em experimentos que demonstram o bombeamento de carga Laughlin em um dispositivo sem bordas. Crédito: © 2023 Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente

Em alguns materiais magnéticos, este fenômeno pode surgir mesmo quando um campo magnético não é aplicado, o que é chamado de efeito Hall anômalo.

“A resistência Hall anômala pode se tornar muito grande em isoladores topológicos”, explica Minoru Kawamura do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente. “Em baixas temperaturas, a resistência Hall anômala aumenta e atinge um valor fundamental, enquanto a resistência ao longo da direção da corrente torna-se zero.” Este é o efeito Hall anômalo quântico e foi observado pela primeira vez em laboratório há quase uma década.

Agora, Kawamura e seus colegas demonstraram um efeito conhecido como bombeamento de carga Laughlin em um isolador Hall anômalo quântico.

A equipe fabricou um disco em forma de rosca feito de camadas de diferentes isolantes topológicos magnéticos (Fig. 1). Eles então mediram como a corrente elétrica através do dispositivo respondia a um campo magnético alternado gerado por eletrodos de metal nas curvas interna e externa do donut.

Os pesquisadores observaram que esse campo fazia com que a carga elétrica se acumulasse nas extremidades do cilindro. Este é o bombeamento de carga Laughlin.

Demonstrações anteriores de isoladores Hall anômalos quânticos usaram dispositivos retangulares que incluíam bordas conectando os eletrodos. E pensava-se que os estados eletrônicos nessas bordas eram cruciais para apoiar o isolador Hall anômalo quântico.

Mas a descoberta da equipe derruba essa suposição. “Nossa demonstração do bombeamento de carga Laughlin em um isolador Hall anômalo quântico usa um dispositivo em forma de disco sem canais de borda conectando os dois eletrodos”, diz Kawamura. “Nosso resultado levanta a possibilidade de que outros fenômenos eletrônicos interessantes possam ser realizados em materiais quânticos anômalos de Hall.”

Reference: “Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator” by Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki and Yoshinori Tokura, 19 January 2023, Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2/p>