Estado híbrido quântico sem precedentes descoberto na superfície do arsênico: ScienceAlert

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

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

“Este resultado foi completamente inesperado.” Diz o físico M. Zahid Hassan Da Universidade de Princeton. “Ninguém esperava isso teoricamente antes de observá-lo.”

A topologia tornou-se cada vez mais importante na compreensão do comportamento de materiais que só podem ser descritos por suas propriedades ondulatórias, conhecidas como Matéria quântica. Dado o nosso interesse na geometria de estruturas que não mudam efetivamente quando dobradas ou deformadas (mas podem mudar se quebradas ou perfuradas), a topologia tem o potencial de influenciar a atividade quântica dos materiais de várias maneiras.

Grande parte desta pesquisa envolve compostos à base de bismuto, uma vez que o bismuto está presente Isolador topológico eficaz – Uma substância cuja camada externa atua como condutora de atividade e cuja camada interna atua como isolante. Isso significa que os elétrons internos estão imóveis, mas os elétrons na superfície e nas bordas podem se mover livremente.

Comumente usado em Materiais semicondutoresArsênico também pode Atua como um isolante topológico. Os físicos, incluindo Hassan e sua equipe, têm procurado novos estados quânticos em isolantes topológicos, especialmente aqueles que podem operar à temperatura ambiente.

Os materiais à base de bismuto têm proporcionado muitas ideias, mas requerem altas temperaturas e a sua síntese e preparação são complexas. Em contraste, o arsénico pode ser cultivado numa forma mais limpa do que o bismuto e é mais fácil de preparar. Então os pesquisadores cultivaram cristais Arsênico cinzaque tem aparência metálica, e campos magnéticos aplicados.

Em seguida, eles examinaram a amostra por meio de microscopia de varredura por tunelamento (STM), que produz imagens em escalas subatômicas, e espectroscopia de emissão óptica, que mede os estados de energia dos elétrons.

eles encontraram Estados de superfície – Estados de elétrons fluindo ao longo das superfícies “livres de lacunas” de alguns tipos de isolantes topológicos – o que é bom e normal. Mas ninguém esperava o que encontraram também – Casos extremos Eles existem na fronteira de um tipo completamente diferente de isolante topológico e nunca antes foram vistos ao lado de estados de superfície.

“Nós ficamos surpresos,” Diz o físico Muhammad Shafayat Hussein Da Universidade de Princeton. “Supunha-se que o arsênico cinza tinha apenas estados superficiais. Mas quando examinamos as bordas da etapa atômica, também encontramos belos padrões de bordas condutivas.”

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

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

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

Esta descoberta poderia abrir a porta para 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, poderia servir como uma nova plataforma a um nível semelhante para o desenvolvimento de novos materiais topológicos e dispositivos quânticos que são atualmente inacessíveis através das plataformas existentes.” Hassan diz.

“Existem novas fronteiras emocionantes na ciência dos materiais e na nova física esperando por você!”

A pesquisa foi publicada em natureza.