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Por que a superfície de um isolante topológico pode conduzir eletricidade, mas o interior é isolante?
Isoladores topológicos são um tipo especial de material que se comporta como um isolante elétrico internamente, mas é condutor na superfície, uma propriedade que permite que os elétrons se movam apenas na superfície do material. A característica deste material é que existe uma lacuna de energia entre a banda de valência e a banda de condução, que é semelhante aos isolantes "comuns" tradicionais. No entanto, a banda de valência e a banda de condução de isolantes topológicos são "torcidas" em um sentido. Comparado com isolantes comuns, essa distorção torna impossível converter continuamente entre isolantes topológicos e isolantes comuns porque levará ao fechamento da lacuna de energia. E produzir estado condutor.
A singularidade dos isolantes topológicos reside no fato de que esse fenômeno não é afetado por perturbações locais, mas surge de suas propriedades estruturais globais.
A relação entre isolantes topológicos e isolantes comuns é complexa e interessante, envolvendo diferentes invariantes topológicos e as simetrias dos materiais. Todos os isolantes topológicos devem ter pelo menos simetria U(1), que geralmente vem da conservação do número de partículas. Além disso, muitos isolantes topológicos também contêm simetria de reversão de tempo. Isso significa que a funcionalidade do estado de superfície exibida pelos isolantes topológicos é tenaz e não pode ser destruída por simetrias locais. Essa propriedade fez com que os isolantes topológicos atraíssem grande atenção na comunidade da física porque nos mostra um tipo de comportamento físico que não é coberto pela teoria tradicional dos materiais.
Os cientistas fizeram progressos no estudo de isolantes topológicos desde a década de 1980. Entre eles, o primeiro modelo teórico de isolante topológico 3D foi proposto por Volkov e Pankratov em 1985, e o estado de Dirac interfacial existente na estrutura HgTe/CdTe foi verificado experimentalmente pela primeira vez em 2007. Com o avanço de diversos estudos, a existência de isolantes topológicos tem sido cada vez mais confirmada, e seu potencial de aplicação tem sido gradativamente descoberto, como na eletrônica de spin e no projeto de transistores sem dissipação.
O estado de superfície dos isolantes topológicos tem propriedades especiais e pode ser aplicado em muitos campos científicos e tecnológicos de ponta, especialmente na computação quântica.
Os estados de superfície dos isolantes topológicos não só podem suportar o bloqueio do momento de spin, mas também podem levar ao surgimento de partículas de Majorana, especialmente quando a supercondutividade é induzida. A existência dessas partículas não apenas promove o desenvolvimento futuro da computação quântica, mas também expande nossa compreensão da matéria. Curiosamente, fenômenos semelhantes aos isolantes topológicos não existem apenas em sistemas quânticos, mas podem ser encontrados até mesmo em meios clássicos, como isolantes topológicos fotônicos, magnéticos e acústicos.
Curiosamente, as propriedades dos isolantes topológicos estão intimamente relacionadas à dimensionalidade e simetria de seus materiais. Cientistas começaram a usar isolantes topológicos semelhantes ao "Floquet", que são simulados por sistemas de acionamento periódico e apresentam propriedades topologicamente não triviais. Esse fenômeno amplia ainda mais a pesquisa sobre isolantes topológicos e fornece novas ideias para a compreensão das propriedades da matéria.
Em resumo, a singularidade dos isolantes topológicos reside no fenômeno de que sua superfície pode conduzir eletricidade enquanto o interior é isolado. Isso tem um impacto profundo na ciência dos materiais e na tecnologia aplicada, tornando-o um material importante que não pode ser ignorado na campo da tecnologia quântica. Esse fenômeno indica que encontraremos comportamentos materiais mais incomuns no futuro?
