Promissores isolantes topológicos chegam à temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/11/2022

Feito dos elementos bismuto e bromo, o material apresenta comportamentos quânticos normalmente vistos apenas sob condições experimentais extremas e temperaturas próximas do zero absoluto.
[Imagem: Shafayat Hossain/M. Zahid Hasan/Princeton University]

Isolante topológico

Acaba de ser observada, pela primeira vez, efeitos quânticos emergindo em um isolante topológico à temperatura ambiente.

Os físicos têm usado os isolantes topológicos há mais de uma década para demonstrar efeitos quânticos, mas até agora isso exigia temperaturas em torno do zero absoluto (-273 ºC).

Observar esses estados sensíveis à temperatura ambiente, sem a necessidade de ambientes criogênicos, abre uma nova gama de possibilidades para o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes, como a spintrônica, a eletrônica baseada no spin das partículas, que pode substituir muitos sistemas eletrônicos atuais, e, claro, a computação quântica.

Esta área de estudo combina a física quântica com a topologia, um ramo da matemática que explora propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não intrinsecamente alteradas - o estudo da topologia rendeu o Nobel de Física de 2016.

"As novas propriedades topológicas da matéria surgiram como um dos tesouros mais procurados da física moderna, tanto do ponto de vista da física fundamental, quanto para encontrar aplicações potenciais na engenharia quântica e nanotecnologias de próxima geração," disse o professor Zahid Hasan, na Universidade de Princeton, nos EUA.

Existem inúmeras propostas teóricas para esses materiais, que agora poderão ser testadas facilmente em qualquer laboratório.
[Imagem: Nana Shumiya et al. - 10.1038/s41563-022-01304-3]

Isolante topológico a temperatura ambiente

O principal componente para investigar os mistérios da topologia quântica é chamado de isolante topológico. Trata-se de uma classe de materiais com uma característica inusitada, a de serem isolantes em seu interior, o que significa que os elétrons dentro deles não estão livres para se movimentar e, portanto, não conduzem eletricidade, mas de terem a superfície condutora, com os elétrons na superfície desses materiais sendo livres para se movimentar.

Além disso, devido às propriedades especiais da topologia, os elétrons que fluem ao longo da superfície não são prejudicados por nenhum defeito ou deformação - é como se o material fosse absolutamente perfeito. Isso tem o potencial não apenas de melhorar a tecnologia atual, mas também de gerar uma maior compreensão da própria matéria, sondando propriedades eletrônicas quânticas.

O problema é que tudo isso só acontecia próximo do zero absoluto, e criar e manter um ambiente ultrafrio é impraticável para a maioria das aplicações: É caro, volumoso e consome uma quantidade considerável de energia.

A equipe eliminou todas essas dificuldades ao sintetizar um isolante topológico feito de brometo de bismuto (Bi₄Br₄), que é um composto cristalino inorgânico usado para tratamento de água e análises químicas - antes tidos como materiais exóticos, hoje se sabe que os isolantes topológicos estão disseminados na natureza.

Além disso, o processo de obtenção do material é simples: "É simplesmente fantástico encontrar [um isolante topológico] sem uma pressão gigantesca ou um campo magnético ultra-alto, tornando esses materiais mais acessíveis para o desenvolvimento da tecnologia quântica de próxima geração," disse a pesquisadora Nana Shumiya.

Sonhar alto

O avanço conseguido pela equipe coloca a ciência e a tecnologia dos isolantes topológicos ao alcance de praticamente todos os laboratórios do mundo, barateando, simplificando e acelerando os experimentos.

"Nós acreditamos que esta descoberta pode ser o ponto de partida para o desenvolvimento futuro da nanotecnologia," disse o professor Shafayat Hossain. "Tem havido tantas possibilidades propostas em tecnologia topológica que estão esperando [para serem testadas], e encontrar materiais apropriados juntamente com instrumentação inovadora é uma das chaves para isso."

"Nossa pesquisa é um verdadeiro passo à frente na demonstração do potencial dos materiais topológicos para aplicações de economia de energia", acrescentou Hasan. "O que fizemos aqui com este experimento foi plantar uma semente para encorajar outros cientistas e engenheiros a sonhar alto."

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