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, publicado na Nature Communications, descreve os mecanismos que permitem a esse tipo de material funcionar como isolante em seu volume, mas também como condutor na superfície, transportando energia sem dissipação.
“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.”
O professor destaca que, em um material tridimensional, um isolante topológico se comporta como isolante no volume, mas como condutor na superfície, diferindo dos isolantes convencionais. “Além disso, em um isolante topológico, o transporte na superfície envolve exóticas quasipartículas 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.
Para revelar evidências experimentais, foram realizados experimentos de Shubnikov-de Haas (SdH) no cristal ZrTe5, em condições extremas de temperatura (até 0,5 K) e campos magnéticos pulsados (até 65 T) no laboratório de High Magnetic Fields (HMF) de Los Alamos, nos Estados Unidos. “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.
Para interpretar os resultados, a pesquisa desenvolveu um modelo teórico sem interação entre elétrons, no qual o spin do elétron desempenha papel fundamental. “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”, explica o professor.
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.
