Figura 1
(a) Resistência elétrica do isolante topológico ZrTe₅ em campos magnéticos extremos e baixas temperaturas. (b) Oscilações quânticas não periódicas ou anômalas observadas no regime de altos campos.
Em materiais, os elétrons podem ser considerados como portadores de carga responsáveis pelo transporte da corrente elétrica. Sua descrição fundamental combina as interações básicas dos campos eletromagnéticos e a mecânica quântica em cristais, oferecendo interessantes plataformas de pesquisa para o entendimento da física quântica. Além disso, diferentes tipos de simetria encontrados em cristais, que hospedam os elétrons, podem favorecer a formação de fases quânticas inesperadamente robustas, chamadas de fases topológicas, que são desejadas na realização de futuras aplicações na nova era da computação quântica e transporte eficiente da energia e informação. Entender como os elétrons se comportam nestas fases quânticas exóticas representa o desafio atual para realizar os “materiais topológicos quânticos”.
Estudo recente conduzido em colaboração internacional demonstrou que um composto isolante topológico ZrTe5 revela uma nova forma de manifestação dos elétrons na presença de um campo magnético. O artigo foi publicado na Nature Communications, com o título “
Reentrant Landau levels in a Dirac topological insulator”.
“O trabalho amplia o nosso entendimento do transporte de elétrons em fases exóticas da matéria e sugere que isolantes topológicos não só hospedam o transporte da sua carga fundamental, mas também de um outro grau de liberdade, o spin do eletron”, relata o físico Julio Larrea Jiménez, chefe do Laboratory for Quantum Matter under Extreme Conditions (LQMEC) e professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP). Larrea participou na supervisão de Cauê Kaufmann Ribeiro durante intercâmbio no Laboratório Nacional de Altos Campos Magnéticos de Los Alamos (EUA), onde foi co-supervisionado pelos pesquisadores Dra. Johanna Palmstrom e o Dr. Sean Thomas.
De modo geral, os elétrons circulam em órbitas na presença de um campo magnético. Na física quântica, estas não seguem energias contínuas ou trajetórias aleatórias, mas órbitas específicas definidas pela quantização da energia, dando lugar a órbitas conhecidas como anéis de Landau. Em materiais metálicos pristinos (com influência de desordem atômica irrelevante), a separação entre níveis de energia quantizados torna-se relevante sob campo magnético. Nesse regime, os níveis de Landau dão origem a um comportamento oscilatório periódico da resistência elétrica conhecido como oscilações quânticas. Tais oscilações são consequência do cruzamento dos níveis de energia discretos dos anéis de Landau com o nível de Fermi (a energia típica na qual os elétrons são conduzidos mais eficientemente). Neste cenário, o spin do elétron não parece ter papel relevante.
Kaufmann Ribeiro executou os experimentos de transporte elétrico em altos campos magnéticos em Los Alamos e deselvoveu o modelo teórico para o isolante topolgico ZrTe5. Segundo o pesquisador, primeiro autor do artigo, as oscilações quânticas se tornam completamente anômalas. Sobre isso, comenta: "Em materiais próximos a transições de fase topológicas, os elétrons podem deixar de se comportar como partículas comuns dentro de um metal. Em vez disso, suas excitações eletrônicas passam a se comportar como quasipartículas semelhantes a férmions de Dirac, isto é, partículas relativísticas. Em nosso trabalho, mostramos que o spin dessas quasipartículas tem um papel central: quando aplicamos campos magnéticos intensos, a interação entre o spin e o campo magnético modifica profundamente os níveis de 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".
Figura 2
Esquerda - representação das energias aneus de Landau cruzando o Nivel de Fermi em oscilações quânticas periódicas. Direita - as energias dos aneus de Landau cruzando reentrantemente em nosso material isolante topológico ZrTe5
Larrea ressalta que o cerne do estudo foi combinar simetrias e condições extremas. “Nosso experimento forneceu a primeira demonstração empírica de um processo até então envolto em controvérsias”, sintetiza.
Nos últimos anos, a topologia virou uma nova linguagem da física. Estados protegidos por simetrias topológicas são robustos contra perturbações e explicam fenômenos que antes pareciam desconectados. Esse caminho de investigação já foi contemplado com o Prêmio Nobel de Física em 2016, por “descobertas teóricas de transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria”. Nosso estudo se insere nessa grande vertente.
