Palestra: Nobel em Física de 2016 e os isolantes topológicos 3D

Colóquio de Física

Data: Quarta-feira, 22 de março, às 14:00h

Local: Bloco A, sala S111-0

Palestrante: Prof. Dr. Adalberto Fazzio (CCNH-UFABC)

Título: Nobel em Física de 2016 e os isolantes topológicos 3D

Resumo: Em 2016 foram laureados com prêmio Nobel em física os pesquisadores D.Thouless (Univ. of Washington), F.D.M. Haldane (Princeton Univ.) e J.M.Kosterlitz (Brown Univ.). Seus trabalhos resultaram em uma quebra de paradigma na compreensão das propriedades da matéria. Eles usaram conceitos de topologia na física da matéria condensada para explicar, por exemplo o efeito Hall quântico e possibilitaram a predição de materiais exóticos conhecidos como isolantes topológicos. Até a década de 80 as transições de fase da matéria eram descritas segundo a quebra de simetrias desenvolvida por Ginzburg e Landau. Entretanto as novas descobertas mostraram que modelos descritos por um parâmetro de ordem local não explicavam os fenômenos, daí as formulações topológicas da matéria. A noção de métrica desaparece e a matéria é controlada por propriedades que são insensíveis a espaço-tempo e são descritas por um ramo da matemática conhecido como topologia. O estado Hall quântico foi o primeiro exemplo de um estado quântico em que não há quebra de simetria, e a ordem topológica explicava a robustez dos estados de borda. Para se observar o Efeito Hall quântico, experimentos exigiam altos campos magnéticos, baixas temperaturas e amostras bidimensionais. Entretanto, baseado no trabalho de Haldane, Kane e Mele mostraram que uma rede tipo-grafeno(2D) apresenta uma ordem topológica não-trivial , sem quebrar a simetria de reversão temporal – em que o acoplamento spin-órbita faz o papel do campo magnético: Os isolantes topológicos (IT). Estes IT apresentam um bulk isolante mas apresentam estados exóticos de borda (no caso 2D) ou de superfície (no caso 3D), de forma que os estados de borda ou de superfície sejam metálicos e protegidos pela invariância de reversão temporal. Tais estados derivam de propriedades dos estados quânticos – sua função de onda - que adquirem fases geométricas distintas das triviais quando percorrem um ciclo fechado na zona de Brillouin - definindo os invariantes topológicos. A passagem topológico-trivial deve envolver uma transição de fase mediada por um estado metálico. Utilizando técnicas de espectroscopia de foto-emissão de resolução angular (ARPES) David Hsieh, em sua tese de doutoramento em Princeton, mostrou pela primeira vez que o cristal de Bi1-xSbx exibe estados condutores robustos que são localizados na sua superfície. Estes estados de superfície tem uma estrutura de bandas não usual que não podem existir em isolantes triviais. A revista Nature publica um artigo em 2010 com o título “Star Material” relatando a euforia dos físicos na reunião anual da APS (March meeting) onde se lê: “Two variation of the quantum Hall effect have won their discovers Nobel prizes, and some researchers think that a Nobel awaits whoever can contribute the most to the growing field... Yet trips to Stockholm are some way off.” Neste colóquio, pretendo discutir alguns aspectos dessa nova classe de materiais que são os Isolantes topológicos e suas potenciais aplicações, com ênfase no trabalho desenvolvido pelo nosso grupo.

A programação completa dos colóquios de física pode ser vista em: http://fisica.ufabc.edu.br/index.php/coloquios