{"id":20624,"date":"2023-04-27T09:11:11","date_gmt":"2023-04-27T12:11:11","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf-wp2027\/?p=20624"},"modified":"2023-04-27T09:11:13","modified_gmt":"2023-04-27T12:11:13","slug":"pesquisadores-brasileiros-avancam-no-desenvolvimento-da-orbitronica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/pesquisadores-brasileiros-avancam-no-desenvolvimento-da-orbitronica\/","title":{"rendered":"Pesquisadores brasileiros avan\u00e7am no desenvolvimento da orbitr\u00f4nica"},"content":{"rendered":"\n

Por Fl\u00e1via Nat\u00e9rcia<\/em><\/p>\n\n\n\n

Em um artigo publicado recentemente no peri\u00f3dico Physical Review Letters<\/em>, uma equipe composta por pesquisadores da Universidade Federal Fluminense (UFF), da Universidade Federal do ABC (UFABC), do Centro Nacional de Pesquisas em Energia e Materiais (CNPEM) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) conectaram dois conceitos relevantes: o de isolantes topol\u00f3gicos de mais alta ordem e o de efeito orbital. Esses pesquisadores possuem grande experi\u00eancia e tradi\u00e7\u00e3o no estudo de materiais qu\u00e2nticos e este trabalho d\u00e1 um passo a mais no desenvolvimento da emergente \u00e1rea da orbitr\u00f4nica, que se dedica a manipular o momento angular dos el\u00e9trons que se movimentam em s\u00f3lidos. Essa \u00e1rea pode contribuir para impulsionar o avan\u00e7o de tecnologias e dispositivos mais eficientes, como transistores magn\u00e9ticos e sensores, bem como facilitar a miniaturiza\u00e7\u00e3o de chips e alavancar computa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica.<\/p>\n\n\n\n

Segundo o pesquisador Marcio Costa, da UFF, isolantes topol\u00f3gicos proporcionam a propaga\u00e7\u00e3o de el\u00e9trons sem dissipa\u00e7\u00e3o de energia em sua superf\u00edcie, desde que n\u00e3o se altere a simetria cristalina que protege o estado topol\u00f3gico, que \u00e9 um estado qu\u00e2ntico da mat\u00e9ria o qual n\u00e3o se encaixa no paradigma que liga transi\u00e7\u00f5es de fase com quebras espont\u00e2neas da simetria. O cristal de Na3<\/sub>Bi (bismuto triss\u00f3dico) bidimensional, por exemplo, que tem uma estrutura hexagonal e estrutura de bandas que cont\u00e9m um gap<\/em> que faz com que ele seja isolante, \u00e9 protegido por uma simetria de rota\u00e7\u00e3o. Quando esse material \u00e9 transformado em uma estrutura unidimensional, na forma de uma fita, surgem estados met\u00e1licos nas bordas do material que permitem a propaga\u00e7\u00e3o de el\u00e9trons, em princ\u00edpio, sem dissipa\u00e7\u00e3o de energia, desde que permane\u00e7a inalterada a simetria de revers\u00e3o temporal. Essa simetria \u00e9 uma propriedade te\u00f3rica das leis da f\u00edsica que descreve como elas se comportam sob a transforma\u00e7\u00e3o da revers\u00e3o do tempo e \u00e9 prevista para acontecer em medi\u00e7\u00f5es qu\u00e2nticas. Assim, para que a topologia de mais alta ordem se manifeste, \u00e9 preciso transformar uma estrutura bidimensional (2D) em um fio, uma estrutura 0D, que \u00e9 chamada de flake<\/em> e deve preservar a simetria que protege o estado topol\u00f3gico. No caso da simetria de rota\u00e7\u00e3o, o flake<\/em> deve ser hexagonal. <\/p>\n\n\n

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Marcio Costa, pesquisador da UFF<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

De acordo com a revista Pesquisa Fapesp<\/a>, na superf\u00edcie de um isolante topol\u00f3gico, os el\u00e9trons de uma corrente el\u00e9trica que deslizam sobre ela t\u00eam seus spins<\/em> alinhados sem a aplica\u00e7\u00e3o de um campo magn\u00e9tico externo e sob uma temperatura ambiente, um comportamento que s\u00f3 tinha sido observado em materiais submetidos a campos magn\u00e9ticos muito intensos e temperaturas pr\u00f3ximas do zero absoluto. Com isso, os el\u00e9trons conseguem passar rapidamente por impurezas ou imperfei\u00e7\u00f5es na superf\u00edcie de um cristal sem que ocorra perda de energia ou desvio, conforme acontece na maior parte dos materiais. Outra vantagem \u00e9 que se trata de materiais que podem ser obtidos de forma relativamente barata.<\/p>\n\n\n\n

J\u00e1 se sabe que os isolantes topol\u00f3gicos t\u00eam uma conex\u00e3o com o efeito Hall de spin<\/em>. Assim, quando se aplica uma corrente de carga longitudinal a esses materiais, surge uma corrente de spin<\/em> transversa a ela. Ent\u00e3o, \u00e9 poss\u00edvel calcular a condutividade Hall de spin<\/em> do isolante topol\u00f3gico. Mas, sabendo da conex\u00e3o entre o isolante topol\u00f3gico e o efeito Hall de spin<\/em>, os pesquisadores se perguntaram se alguma outra fase topol\u00f3gica exibe conex\u00e3o desse tipo. E a resposta \u00e9 sim: os isolantes topol\u00f3gicos de mais alta ordem (HOTIs, do ingl\u00eas Higher Order Topological Insulators<\/em>) tamb\u00e9m se conectam com o efeito Hall de spin<\/em>. Ent\u00e3o uma equipe composta por Marcio Costa e Adalberto Fazzio, entre outros pesquisadores, fez um estudo em que se calculou a condutividade Hall de spin<\/em> para quase 700 isolantes. Como resultado, foram encontrados sete materiais que apresentam condutividade de spin<\/em> n\u00e3o nula no gap<\/em>. Depois dessa publica\u00e7\u00e3o, surgiram artigos mostrando que o dissulfeto de molibd\u00eanio (MoS2<\/sub>) e outros materiais do tipo tamb\u00e9m s\u00e3o HOTIs. Os pesquisadores brasileiros mostraram em seu trabalho mais recente que o efeito Hall orbital, que consiste na cria\u00e7\u00e3o de um fluxo transversal de momento angular orbital induzido por um campo el\u00e9trico longitudinal, est\u00e1 diretamente conectado com esses HOTIs.<\/p>\n\n\n\n

De acordo com a pesquisadora Tatiana Rappoport, da UFRJ, os el\u00e9trons que se movem nos s\u00f3lidos v\u00eam de orbitais at\u00f4micos que t\u00eam momento angular. Ent\u00e3o, em alguns tipos de materiais, quando se aplica uma corrente el\u00e9trica, uma parte dos el\u00e9trons vai fazer uma rota\u00e7\u00e3o para um lado e outros fazem rota\u00e7\u00e3o para o lado oposto, gerando uma corrente de momento angular transversa, como acontece no efeito Hall de spin<\/em>. Esse efeito tem sido estudado em dicalcogenetos de metais de transi\u00e7\u00e3o (TMDs – Transition Metal Dichalcogenides<\/em>), que s\u00e3o semicondutores compostos por um \u00e1tomo de metal de transi\u00e7\u00e3o e dois calcog\u00eanios.  <\/p>\n\n\n

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Tatiana Rappoport, f\u00edsica da UFRJ<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

A pesquisa com essa propriedade de tais materiais come\u00e7ou quando os pesquisadores mostraram que, na fase 2H ou trigonal prism\u00e1tica, mesmo sem serem isolantes topol\u00f3gicos, eles n\u00e3o s\u00f3 tinham efeito Hall orbital, como tamb\u00e9m tinham um plateau<\/em> bem parecido com o efeito Hall de spin<\/em>. No entanto, muitos pesquisadores acharam que o que estava sendo observado era, na verdade, um efeito Hall de vale, no qual uma corrente transversal de vale se produz devido \u00e0 curvatura de Berry, que \u00e9 uma an\u00e1loga do campo magn\u00e9tico e atua no espa\u00e7o dos momentos. E eles tamb\u00e9m se perguntaram onde estariam os estados de borda capazes de conduzir o momento angular orbital em uma fase isolante para que o plateau<\/em> observado pudesse aparecer. <\/p>\n\n\n\n

Respondendo a esses questionamentos, juntamente com Marcio Costa, Tatiana Rappoport conseguiu mostrar que esses materiais, que n\u00e3o podem ter efeito Hall de vale, t\u00eam efeito orbital. Isso significa que eles mostraram que tais materiais t\u00eam estados de borda e podem conduzir momento angular orbital. E, depois disso, dois estudos mostraram que os dicalcogenetos tamb\u00e9m s\u00e3o HOTIs. Tanto dicalcogenetos monocamadas centrossim\u00e9tricos (em fase parael\u00e9trica, na qual a aplica\u00e7\u00e3o de um campo el\u00e9trico provoca polariza\u00e7\u00e3o ou alinhamento de dipolos paralelos a esse campo el\u00e9trico) quanto n\u00e3o centrossim\u00e9tricos (em fase ferroel\u00e9trica, na qual se observa polariza\u00e7\u00e3o el\u00e9trica espont\u00e2nea no material), se cortados em uma dire\u00e7\u00e3o arbitr\u00e1ria, sem preservar a simetria que protege seu estado topol\u00f3gico, podem ter estados de borda met\u00e1licos e podem conduzir corrente de momento angular orbital. Isso pode ser usado para injetar corrente orbital de forma eficiente em novos dispositivos da spin-orbitr\u00f4nica. Essa corrente orbital consiste em uma corrente de el\u00e9trons que t\u00eam seus momentos angulares alinhados, compondo um circuito.<\/p>\n\n\n\n

No estudo que acabaram de fazer, os pesquisadores brasileiros utilizaram a teoria de densidade funcional e c\u00e1lculos da resposta linear para estudar a intera\u00e7\u00e3o do efeito Hall orbital e as fases HOTI em monocamadas de dicalcogenetos de metais de transi\u00e7\u00e3o respeitando a simetria de rota\u00e7\u00e3o C3<\/sub>, na qual a mol\u00e9cula pode girar para tr\u00eas orienta\u00e7\u00f5es equivalentes, com 120o<\/sup> de dist\u00e2ncia. Eles descobriram que dicalcogenetos 1T (com simetria tetragonal, uma camada na cela unit\u00e1ria e coordena\u00e7\u00e3o octa\u00e9drica) centrossim\u00e9tricos tamb\u00e9m podem ser isolantes topol\u00f3gicos de ordem superior. E conseguiram correlacionar o aparecimento de uma fase HOTI em duas estruturas diferentes com uma fase Hall orbital isolante. <\/p>\n\n\n\n

Os pesquisadores constataram que, em analogia com o efeito Hall spin qu\u00e2ntico fot\u00f4nico, eigenstates<\/em> do momento orbital angular desempenham o papel de pseudo-spins<\/em> (graus qu\u00e2nticos adicionais de liberdade), sendo eigenstates<\/em> do operador de rota\u00e7\u00e3o C3<\/sub>, que protege o HOTI. Eigenstates<\/em> s\u00e3o estados de sistemas din\u00e2micos quantizados, como \u00e1tomos, mol\u00e9culas ou cristais, nos quais a energia ou o momento angular tem um valor fixo determinado. Devido \u00e0 natureza orbital dos pseudo-spins<\/em>, a fase topol\u00f3gica de ordem superior pode ser verificada pelo efeito Hall orbital. Para mostrar explicitamente essa conex\u00e3o, os pesquisadores utilizaram um modelo de baixa energia bem conhecido para HOTIs e o modelo de tr\u00eas orbitais d para TMDs 2H (com simetria hexagonal, duas camadas na cela unit\u00e1ria e coordena\u00e7\u00e3o trigonal prism\u00e1tica).<\/p>\n\n\n\n

O artigo \u201cConnecting Higher-Order Topology with the Orbital Hall Effect in Monolayers of Transition Metal Dichalcogenides\u201d, na \u00edntegra, pode ser encontrado na PHYSICAL REVIEW LETTERS 130, 116204 (2023).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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