Isoladores topológicos conduzem eletricidade de uma maneira especial e prometem novos circuitos e comunicações móveis mais rápidas. Sob a liderança do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), uma equipe de pesquisa da Alemanha, Espanha e Rússia questionou uma propriedade fundamental desta nova classe de materiais: como exatamente os elétrons no material respondem quando estão “assustados” por pulsos curtos da chamada radiação terahertz? Os resultados podem anunciar comunicações de dados móveis mais rápidas ou sistemas detectores de alta sensibilidade para explorar mundos distantes nos próximos anos, relata a equipe em npj Quantum Materials.
Isoladores topológicos são uma classe recente de materiais com uma propriedade quântica especial: em sua superfície, eles podem conduzir eletricidade quase sem perdas, enquanto seu interior funciona como um isolante – nenhuma corrente pode fluir ali. Isso abre perspectivas interessantes: isoladores topológicos podem formar a base para componentes eletrônicos de alta eficiência, o que os torna um campo de pesquisa interessante para físicos.
Mas uma série de questões fundamentais ainda não foram respondidas. O que acontece, por exemplo, quando você dá aos elétrons no material um “empurrão” usando ondas eletromagnéticas específicas – a chamada radiação terahertz – gerando assim um estado de excitação? Uma coisa é certa: os elétrons querem se livrar do aumento de energia forçado sobre eles o mais rápido possível, por exemplo, aquecendo a estrutura cristalina que os cerca. No caso de isoladores topológicos, no entanto, não estava claro se a eliminação dessa energia acontecia mais rápido na superfície condutora do que no núcleo isolante. “Até agora, simplesmente não tínhamos os experimentos apropriados para descobrir”, explica o líder do estudo, Dr. Sergey Kovalev, do Instituto de Física de Radiação do HZDR. “Até agora, em temperatura ambiente, era extremamente difícil diferenciar a reação superficial daquela no interior do material.”
Para superar esse obstáculo, ele e sua equipe internacional desenvolveram uma configuração de teste engenhosa: pulsos intensivos de terahertz atingem uma amostra e excitam os elétrons. Imediatamente depois, flashes de laser iluminam o material e registram como a amostra responde à estimulação terahertz. Em uma segunda série de testes, detectores especiais medem até que ponto a amostra exibe um efeito não linear incomum e multiplica a frequência dos pulsos de terahertz aplicados. Kovalev e seus colegas conduziram esses experimentos usando a fonte de luz TELBE terahertz no ELBE Center for High-Power Radiation Sources do HZDR. Pesquisadores do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia de Barcelona, da Universidade Bielefeld, do Centro Aeroespacial Alemão (DLR), da Universidade Técnica de Berlim, da Universidade Lomonosov e do Instituto Kotelnikov de Engenharia de Rádio e Eletrônica em Moscou estiveram envolvidos.
Transferência rápida de energia
O decisivo foi que a equipe internacional não investigou apenas um único material. Em vez disso, os parceiros russos do projeto produziram três isolantes topológicos diferentes com propriedades diferentes e precisamente determinadas: em um caso, apenas os elétrons na superfície poderiam absorver diretamente os pulsos de terahertz. Nos demais, os elétrons foram excitados principalmente no interior da amostra. “Comparando esses três experimentos, fomos capazes de diferenciar precisamente entre o comportamento da superfície e o interior do material”, explica Kovalev. “E descobriu-se que os elétrons na superfície ficavam excitados significativamente mais rápido do que aqueles no interior do material.” Aparentemente, eles foram capazes de transferir sua energia para a rede de cristal imediatamente.
Colocados em números: enquanto os elétrons da superfície revertiam ao seu estado energético original em algumas centenas de femtossegundos, os elétrons “internos” demoravam aproximadamente 10 vezes mais, ou seja, alguns picossegundos. “Isoladores topológicos são sistemas altamente complexos. A teoria é tudo menos fácil de entender”, diz Michael Gensch, ex-chefe da instalação da TELBE em HZDR e agora chefe do departamento do Instituto de Sistemas de Sensores Ópticos no Centro Aeroespacial Alemão (DLR) e professor da TU Berlin. “Nossos resultados podem ajudar a decidir quais das idéias teóricas são verdadeiras.”
Multiplicação altamente eficaz
Mas o experimento também é um bom augúrio para desenvolvimentos interessantes em comunicação digital, como WLAN e comunicações móveis. Hoje, tecnologias como 5G funcionam na faixa de gigahertz. Se pudéssemos aproveitar frequências mais altas na faixa de terahertz, significativamente mais dados poderiam ser transmitidos por um único canal de rádio, pelo que os multiplicadores de frequência poderiam desempenhar um papel importante: eles são capazes de traduzir frequências de rádio relativamente baixas em significativamente mais altas.
Há algum tempo, a equipe de pesquisa já havia percebido que, sob certas condições, o grafeno – um material de carbono superfino e bidimensional – pode atuar como um multiplicador de frequência eficiente. É capaz de converter radiação de 300 gigahertz em frequências de alguns terahertz. O problema é que quando a radiação aplicada é extremamente intensa, há uma queda significativa na eficiência do grafeno. Os isolantes topológicos, por outro lado, funcionam mesmo com a estimulação mais intensa, descobriu o novo estudo. “Isso pode significar que é possível multiplicar frequências de alguns terahertz a várias dezenas de terahertz”, supõe o físico do HZDR Jan-Christoph Deinert, que chefia a equipe da TELBE junto com Sergey Kovalev. “No momento, não há fim à vista quando se trata de isoladores topológicos.”
Se tal desenvolvimento ocorrer, os novos materiais quânticos poderão ser usados em uma faixa de frequência muito mais ampla do que com o grafeno. “Na DLR, estamos interessados em usar materiais quânticos desse tipo em receptores heteródinos de alto desempenho para astronomia, especialmente em telescópios espaciais”, explica Gensch.
Publicado em 22/10/2021 15h59
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