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Como os isoladores topológicos mudam nossa compreensão dos materiais com bandas de energia" torcidas "?
Com o rápido desenvolvimento da ciência dos materiais, os isoladores topológicos (TIs) têm atraído cada vez mais atenção da comunidade científica. As propriedades desses materiais são muito diferentes dos isolantes tradicionais. O interior atua como isolante, mas a superfície conduz eletricidade, o que significa que os elétrons só podem se mover ao longo da superfície do material. Esta propriedade física peculiar decorre do chamado fenómeno de “distorção” na sua estrutura de bandas de energia, que mudou a nossa compreensão básica da matéria.
Os isoladores topológicos possuem uma estrutura de banda torcida que cria um estado condutor de superfície sólida que os diferencia dos isoladores comuns.
Isoladores topológicos podem existir porque existe uma lacuna de energia óbvia entre sua banda de valência e sua banda de condução. No entanto, esta propriedade não significa que possam ser transformados entre si sem restrições. Somente quando a estrutura da banda de energia muda, essa lacuna pode ser eliminada e entrar em um estado condutivo regular. Portanto, os limites entre isoladores topológicos e isoladores comuns são relativamente claros e existem apenas em fases que podem conduzir eletricidade. Seja com base em perturbações de simetria local ou em influências externas, esses estados condutores de superfície apresentam estabilidade extremamente alta.
Embora o estado superficial dos isoladores comuns também possa conduzir eletricidade, apenas o estado superficial dos isoladores topológicos tem essa resistência.
Em isolantes topológicos de alta dimensão, os estados de superfície exibem muitas propriedades maravilhosas. Por exemplo, em um isolador topológico tridimensional com simetria de reversão do tempo, o rotação do estado da superfície é bloqueado com a direção do movimento, formando o chamado fenômeno de travamento do momento do spin. Esta situação suprime fortemente a curva em "U" no processo de dispersão e melhora a condutividade do metal na superfície.
No entanto, o potencial dos isoladores topológicos não se limita ao transporte de elétrons. A superfície desse tipo de material também pode suportar partículas de majorana.
O efeito de "grande triagem" dos isoladores topológicos é a chave para o futuro da computação quântica.
isoladores topológicos como o BI2TE3 e suas ligas são mencionados com destaque precisamente por causa de suas aplicações em potencial no efeito termoelétrico. Esses materiais são geralmente compostos por elementos pesados, o que pode efetivamente reduzir a condutividade térmica e, assim, melhorar a eficiência da conversão termoelétrica. Ao estudar as formas de onda dos isoladores topológicos, os pesquisadores agora entendem como conseguir uma redução na massa efetiva dos elétrons nesses materiais, aumentando assim a condutividade nas bordas do vale.
Perspectivas de preparação e aplicação de isoladores topológicos
A tecnologia de síntese de isoladores topológicos está se tornando cada vez mais madura, incluindo deposição química de vapor orgânico metálico (MOCVD), deposição física de vapor (PVD) e epitaxia por feixe molecular (MBE). Em particular, o MBE, por ser realizado em um ambiente de alto vácuo, pode efetivamente reduzir a contaminação da amostra e tornou-se o principal método de preparação para filmes finos de cristal único de alta qualidade. O que é mais interessante é que o crescimento do filme fino de isoladores topológicos depende principalmente das forças de van der Waals entre as camadas, o que torna mais viável o projeto de circuitos integrados em diferentes substratos.
A pesquisa futura se concentrará em como controlar melhor o processo de preparação desses materiais e explorar suas possibilidades em uma gama mais ampla de aplicações, especialmente nas áreas de materiais supercondutores e computadores quânticos.
Com uma compreensão mais profunda das propriedades dos isolantes topológicos, podemos desenvolver mais materiais para a tecnologia quântica?
