Físicos descobrem inesperado estado quântico híbrido no arsénio

Os físicos acabaram de encontrar algo que ninguém esperava, escondido à superfície de um cristal de arsénio.

Ao realizarem um estudo sobre topologia quântica - o comportamento ondulatório das partículas combinado com a matemática da geometria - uma equipa identificou um híbrido invulgar de dois estados quânticos, cada um associado a uma forma distinta de condução de corrente.

“Esta descoberta foi completamente inesperada”, afirma o físico M. Zahid Hasan, da Universidade de Princeton. “Ninguém a tinha previsto teoricamente antes da sua observação.”

Topologia quântica e o comportamento dos materiais

A topologia está a assumir uma importância crescente na compreensão do comportamento de materiais que apenas podem ser descritos pelas suas propriedades ondulatórias, conhecidos como matéria quântica. Ao dedicar-se à geometria de estruturas que não se alteram de forma efetiva quando são dobradas ou deformadas - embora possam mudar se forem partidas ou perfuradas -, a topologia pode influenciar a atividade quântica dos materiais de várias formas.

Grande parte desta investigação centra-se em compostos à base de bismuto, pois o bismuto é um isolador topológico eficiente: um material cuja camada exterior funciona como condutora de atividade, enquanto o interior atua como isolador. Isto significa que os eletrões no interior permanecem imóveis, mas os que se encontram à superfície e nas margens podem deslocar-se livremente.

Habitualmente utilizado em materiais semicondutores, o arsénio também pode comportar-se como um isolador topológico. Físicos, incluindo Hasan e a sua equipa, têm procurado novos estados quânticos em isoladores topológicos, em especial os que possam funcionar à temperatura ambiente.

Cristais de arsénio revelam estados de superfície e de margem

Os materiais baseados em bismuto proporcionaram muitos conhecimentos, mas exigem temperaturas elevadas e são complexos de sintetizar e preparar. Em contraste, o arsénio pode ser cultivado numa forma mais limpa do que o bismuto e é mais simples de preparar. Por isso, os investigadores cultivaram cristais de arsénio cinzento, de aspeto metálico, e aplicaram campos magnéticos.

Em seguida, analisaram a amostra com microscopia de tunelamento de varrimento (STM), que produz imagens a escalas subatómicas, e com espetroscopia de fotoemissão, que mediu os estados energéticos dos eletrões.

Encontraram estados de superfície - estados eletrónicos que fluem ao longo de superfícies «sem lacunas» de alguns tipos de isolador topológico -, algo normal e esperado. Contudo, ninguém antecipava o outro resultado: estados de margem existentes nos limites de um tipo completamente diferente de isolador topológico, que nunca antes tinham sido observados lado a lado com estados de superfície.

“Ficámos surpreendidos”, diz o físico Md. Shafayat Hossain, da Universidade de Princeton. “Supunha-se que o arsénio cinzento tivesse apenas estados de superfície. Mas, quando examinámos as margens dos degraus atómicos, também encontrámos belos modos condutores de margem.”

Só puderam concluir que estavam perante um estado híbrido jamais observado.

Um novo estado quântico híbrido

“Normalmente, consideramos que a estrutura de bandas em volume de um material pertence a uma de várias classes topológicas distintas, cada uma associada a um tipo específico de estado de fronteira”, explica o físico David Hsieh, do Caltech, que não participou na investigação.

“Este trabalho demonstra que certos materiais podem integrar simultaneamente duas classes. Mais interessante ainda, os estados de fronteira que emergem destas duas topologias podem interagir e reorganizar-se num novo estado quântico que é mais do que uma simples sobreposição das suas partes.”

A descoberta poderá abrir caminho a um novo tipo de materiais quânticos, que, por sua vez, poderá impulsionar a investigação em física quântica e tecnologias como a computação quântica.

“Prevemos que o arsénio, com a sua topologia única, possa servir como uma nova plataforma de nível semelhante para desenvolver materiais topológicos inovadores e dispositivos quânticos que atualmente não estão acessíveis através das plataformas existentes”, afirma Hasan.

“Uma nova e entusiasmante fronteira na ciência dos materiais e na nova física aguarda-nos!”

A investigação foi publicada na Nature.