Um estudo publicado em comunicação da natureza Uma forma incomum de oscilação quântica foi revelada em um isolador topológico tridimensional. As descobertas mostram que os elétrons no pentatelureto de zircônio (ZrTe.5) pode se comportar de maneira imprevisível quando exposto a temperaturas próximas do zero absoluto e a campos magnéticos extremamente fortes.
A pesquisa foi liderada por cientistas da Universidade de São Paulo (USP) no Brasil, do Laboratório Nacional de Los Alamos, da Universidade de Washington e de outras instituições dos EUA. A equipe combinou experimentos de transporte elétrico conduzidos em campos magnéticos tão fortes quanto 60 Tesla e em temperaturas próximas de 0,7 Kelvin (-272,45 graus Celsius) com cálculos teóricos detalhados.
“Este trabalho amplia nossa compreensão do transporte de elétrons em fases exóticas da matéria e sugere que os isolantes topológicos suportam não apenas o transporte de carga elétrica, mas também outro grau de liberdade fundamental: o spin do elétron”, diz Julio Laria Jiménez, professor do Instituto de Física (IF) da USP e cofundador e diretor do Laboratório de Matéria Quântica sob Condições Extremas (LQMEC).
Larrea atuou como orientador de doutorado do primeiro autor do estudo, Kao Kaufman Ribeiro. Ribeiro realizou grande parte do trabalho experimental durante um estágio no Laboratório Nacional de Altos Campos Magnéticos, em Los Alamos, nos Estados Unidos, apoiado por um Estágio de Pesquisa no Exterior da FAPESP. Enquanto estava lá, ele foi co-orientado por Johanna Palmstrom e Sean Thomas.
Um material com duas personalidades eletrônicas
Os isoladores topológicos possuem uma combinação incomum de propriedades. Seus interiores comportam-se como isolantes elétricos, enquanto suas superfícies podem conduzir eletricidade. Esse comportamento decorre da topologia de suas bandas eletrônicas, que descreve amplas características da estrutura quântica dos estados eletrônicos protegidos pela simetria cristalina.
ZrTe5 Este tipo é particularmente valioso para o estudo da física porque fica próximo à fronteira que separa as diferentes fases topológicas. Pequenas mudanças na temperatura, deformação mecânica, composição química ou campo magnético podem alterar significativamente o seu comportamento eletrônico. Essa sensibilidade fez com que o ZrTe5 Um material importante para investigar transições de fase topológicas e quasipartículas relativísticas em sólidos.
Quando os elétrons passam através de um campo magnético, suas energias potenciais não formam uma fronteira contínua. A mecânica quântica os limita a valores de energia específicos conhecidos como níveis de Landau, em homenagem ao físico e matemático soviético Lev Landau (1908–1968).
Em metais muito puros, estes níveis de Landau podem passar repetidamente pelo nível de Fermi, que é a fronteira de energia entre os estados eletrônicos ocupados e desocupados. Cada cruzamento pode produzir oscilações na resistência elétrica. Esses efeitos, conhecidos como oscilações de Shubnikov-de Haas, geralmente seguem um padrão periódico previsível na forma 1/B, onde B representa o campo magnético.
Oscilações quânticas que se recusam a desaparecer
Os pesquisadores descobriram que o ZrTe5 Isso não seguiu o padrão familiar. Suas oscilações de magnetorresistência não eram convencionalmente periódicas em 1/B e continuaram muito além do limite quântico.
Esse resultado foi surpreendente porque, além do limite quântico, os elétrons devem estar confinados ao nível mais baixo de Landau. Sob as expectativas convencionais, as oscilações familiares deverão desaparecer.
“Em materiais próximos à transição de fase topológica, os elétrons podem parar de se comportar como partículas normais dentro do metal. Suas excitações eletrônicas começam a se comportar como quasipartículas semelhantes aos férmions de Dirac – isto é, partículas relativísticas. Em nosso trabalho, mostramos que o spin dessas quasipartículas desempenha um papel central: quando aplicamos campos magnéticos fortes, a interação entre o spin e o campo magnético altera profundamente os níveis de energia dos elétrons. Como resultado, os níveis de Landau que são normais se afastam da forma a energia relevante do sistema pode ‘voltar’ e atravessá-lo novamente. Chamamos isso de nível de Landau reentrante”, diz Kauffman.
Para explicar o efeito, os pesquisadores propõem um processo conhecido como “flexão para trás” dos níveis de Landau. Em vez de alterar a sua energia numa progressão simples e recta à medida que o campo magnético aumenta, alguns níveis de Landau podem curvar-se para trás em direcção ao nível de Fermi e atravessá-lo novamente. Esses cruzamentos renovados geram oscilações adicionais num regime onde a teoria convencional prevê que as oscilações já deveriam ter desaparecido.
spin do elétron muda a imagem
O comportamento anormal emerge da interação entre duas influências físicas diferentes. Um ciclotron é a energia que vem do movimento orbital dos elétrons através de um campo magnético. O segundo é o efeito Zeeman, que descreve o acoplamento entre o campo magnético e o spin do elétron.
Em materiais como ZrTe5Onde a interação spin-órbita é forte, estas duas contribuições não podem ser consideradas independentemente. O spin do elétron e o movimento orbital estão acoplados, fazendo com que a energia dos níveis de Landau evolua de maneira não linear devido a mudanças no campo magnético.
Um dos principais objetivos do estudo foi determinar qual dos dois possíveis mecanismos foi responsável pelas oscilações anormais. Uma possibilidade envolvia efeitos de muitos corpos produzidos por interações coletivas entre múltiplos elétrons. Outros envolviam propriedades topológicas intrínsecas associadas à estrutura eletrônica do material.
Os pesquisadores descobriram que as interações entre múltiplos elétrons não eram necessárias para explicar o comportamento observado em sua amostra. Em vez disso, um modelo de partícula única baseado no Hamiltoniano de Dirac tridimensional e incluindo forte acoplamento spin-órbita foi capaz de reproduzir os regimes experimentais.
“O que observamos é que o efeito não surge de interações de muitos corpos, mas sim de uma topologia não trivial das bandas eletrônicas”, resume Larrea.
Resolução de resultados conflitantes em ZrTe5
As descobertas também podem ajudar a esclarecer um longo debate sobre experimentos com ZrTe5. Diferentes amostras do mesmo material obviamente produzem diferentes tipos de oscilações quânticas.
Algumas amostras exibem oscilações convencionais que são periódicas em 1/b. Outros mostram oscilações que não são periódicas em 1/b. Outros ainda produzem sinais nos quais parece haver periodicidade logarítmica em B.
De acordo com os novos resultados, essas diferenças podem não exigir explicações físicas diferentes. Em vez disso, todos esses comportamentos podem surgir da mesma estrutura eletrônica subjacente de Dirac, cujas consequências são amplamente determinadas pela densidade do portador e pelo tamanho da superfície de Fermi em cada amostra.
“Em amostras com baixa densidade de portadores, como a aqui investigada, os efeitos Zeeman e ciclotrônicos tornam-se comparáveis em campos magnéticos experimentalmente acessíveis. Isso favorece a reentrada dos níveis de Landau e torna visíveis oscilações anômalas. Em amostras com alta densidade de portadores, o termo convencional domina, e as oscilações mantêm sua periodicidade usual de 1/b, “comenta Larrea.
dois canais de spin interferem
Os pesquisadores também identificaram duas contribuições distintas para as oscilações quânticas associadas aos estados separados por spin. Estas duas contribuições têm efeitos diferentes e podem interferir uma na outra.
Essa interferência ajuda a explicar outra característica inesperada nas medições. De acordo com o modelo tradicional de Lifshitz-Kosewich, a amplitude das oscilações quânticas deve diminuir continuamente à medida que a temperatura aumenta. Em vez disso, os pesquisadores observaram um mínimo local na amplitude de oscilação em certas faixas de temperatura.
O resultado indica que os dois canais eletrônicos estão interferindo um no outro, em vez de desaparecerem da maneira padrão.
Medições de magnetismo angular forneceram informações adicionais sobre o material. Sob campos magnéticos baixos, a superfície de Fermi parece tridimensional e aproximadamente elipsoidal.
Os pesquisadores calcularam uma densidade de portadores muito baixa de cerca de 1016 por centímetro cúbico. Esse valor corresponde a ZrTe5 Estando localizado muito próximo da transição de fase topológica.
testar uma substância sob condições extremas
Os experimentos foram conduzidos no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético em Los Alamos, uma das poucas instalações em todo o mundo capazes de combinar campos magnéticos pulsados que chegam a 60 Tesla com temperaturas abaixo de 1 Kelvin.
“Esse tipo de experimento só pode ser feito em alguns lugares do mundo. O acesso a essas instalações é altamente competitivo”, diz Larrea.
Além de explicar oscilações quânticas incomuns, as descobertas fortalecem o uso do ZrTe5 Como plataforma para explorar fases topológicas adicionais da matéria.
Os pesquisadores sugerem que estados eletrônicos ainda mais exóticos podem ser gerados ajustando cuidadosamente fatores como simetria, densidade de portadores, estresse mecânico, temperatura e campo magnético. Estes podem incluir fases associadas às quasipartículas de Weyl.
“Nosso experimento proporcionou a primeira demonstração empírica de um processo que já havia sido cercado de polêmica”, resumiu Larrea.
A pesquisa também contou com apoio da FAPESP por meio de Bolsa Jovem Pesquisador concedida a Larrea. Financiamento adicional veio de instituições dos EUA, incluindo o Laboratório Nacional de Los Alamos, o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, a Fundação Nacional de Ciência e o Departamento de Energia dos EUA.
