Mineral brasileiro lidera nova onda tecnológica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/01/2019

Passinho à frente aí, grafeno. A jacutingaíta foi para o topo de uma nova onda tecnológica.
[Imagem: Fiorien Bonthuis]

Isolantes topológicos

Embora os materiais monoatômicos, como o grafeno e molibdenita, já sejam mais conhecidos, grande parte dos físicos coloca os isolantes topológicos no topo da lista dos materiais mais avançados e mais promissores estudados hoje.

Em um material topológico, o que importa não é o que acontece no seu interior, mas o que acontece na sua superfície - e é justamente aí que acontecem coisas muito interessantes.

Coisas como um isolante virar um supercondutor, a luz guiar uma corrente elétrica e muito mais, incluindo fenômenos que estão permitindo fabricar hologramas 3D e componentes-chave para os computadores quânticos.

A descoberta desses fenômenos topológicos ganhou o Nobel de Física em 2016.

Sem esquecer que a miniaturização exige que os materiais sejam tão finos que se tornaram quase tão somente "superfícies", o que é um dos grandes apelos justamente do grafeno, molibdenita e inúmeros assemelhados de camada atômica única.

Representação esquemática de um isolante topológico.
[Imagem: Fiorien Bonthuis]

Fases exóticas da matéria

Os materiais topológicos hospedam fases exóticas da matéria que são protegidas por propriedades do estado quântico de suas superfícies, incluindo o Efeito Spin-Hall Quântico. Além de interessantes por razões fundamentais e aplicadas, essas propriedades permitem estudar o mundo quântico através da física da matéria condensada.

Essas fases exóticas são aparentadas das fases comuns da matéria - sólido, líquido e gás - cada uma com suas propriedades cristalinas e com as transições de uma fase para a outra - água virando gelo, por exemplo - envolvendo uma mudança na ordenação dessas propriedades. Nos materiais monoatômicos, contudo, a mudança de fase envolve não átomos em uma rede cristalina, mas a alteração de fenômenos que emergem superficialmente, como vórtices magnéticos e seus anti-vórtices.

Contudo, e apesar de todas as suas promessas teóricas e tecnológicas, conhecem-se poucos materiais que apresentam uma fase topologicamente robusta, necessária para testes experimentais em larga escala.

A boa notícia é que um desses materiais foi descoberto bem aqui no Brasil, mais especificamente na Mina do Cauê, em Minas Gerais, a mesma mina de ferro que deu origem à então estatal Companhia Vale do Rio Doce em meados do século passado.

Imagem por microscopia eletrônica da jacutingaíta (branco) sobre a superfície de um bloco de hematita, potarita e ateneíta. À direita visão superior e lateral de uma camada monoatômica de jacutingaíta.
[Imagem: Fiorien Bonthuis/Adaptado de Cabral et al. (2008) and Vymazalová et al. (2012)]

Jacutingaíta

O mineral, batizado de jacutingaíta, foi descoberto em 2008, mas só agora uma equipe da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, comprovou que a jacutingaíta é um material topológico.

Sua fórmula química é Pt₂HgSe₃, o que a torna um mineral do grupo da platina, apesar de ele ter sido encontrado na superfície de um bloco de hematita, um mineral de ferro.

Mais do que ser um isolante topológico, o mineral apresenta um Efeito Spin-Hall Quântico extremamente forte. Os físicos esperavam encontrar esse fenômeno no agora famoso grafeno, mas os experimentos mostraram que o efeito na camada monoatômica de carbono é pequeno demais sequer para ser medido.

Além disso, o mineral brasileiro mostrou ter propriedades adicionais quase insuperáveis.

Em primeiro lugar, a jacutingaíta tem uma banda de energia (bandgap), que é a diferença de energia entre suas bandas de valência e de condução, algo que o grafeno virtualmente não tem. E uma banda de energia é essencial para uso de qualquer material na eletrônica baseada em semicondutores.

Em segundo lugar, a estrutura cristalina da jacutingaíta é mais complexa que a do grafeno. Graças a essa complexidade adicional, a fase Spin-Hall Quântica na jacutingaíta é comutável: A aplicação de um campo elétrico fora do plano leva o material a uma fase isolante comum, o que significa que é possível manipular o comportamento da fase, ligando-a e desligando-a.

A jacutingaíta, quando desfeita em camadas monoatômicas, torna-se assim o principal material disponível hoje no mundo para estudar um dos fenômenos mais promissores no mundo da Física, tanto em termos de compreensões fundamentais da matéria, quanto para aplicações tecnológicas, dos supercondutores aos computadores quânticos.

Contudo, a exemplo do que acontece com o grafeno e com qualquer material de alta tecnologia, não basta ter uma mina para usufruir dos seus benefícios. As vantagens destes novos materiais só podem ser usufruídos por quem dispor da ciência, da tecnologia e das fábricas capazes de produzi-los de forma pura e inseri-los em dispositivos úteis.

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