Receita para obter uma rede cristalina com estrutura de bandas com estados topológicos: aplique a raiz quadrada

André Neves Ribeiro
08/05/2017

Estrutura de bandas de energia idealizada para um isolante topológico. [1]
Já discutimos em outro artigo do Saense como as propriedades físicas dos sólidos podem ser entendidas através de suas respectivas estruturas de bandas de energia e como alguns materiais possuem bandas com uma estrutura topológica não trivial, que caracterizam materiais como os chamados isolantes topológicos, com fantástico potencial para a spintrônica [2]. Pois bem, o que foi publicado há poucos dias na revista Physical Review B é uma receita de como obter um material com estados topológicos a partir de um outro que possui estrutura de bandas comum. A receita: aplicar a raiz quadrada no material comum.

A coisa funciona assim. Em um sólido, os átomos ocupam posições relativamente bem definidas e interagem de maneira mais intensa com aqueles que estão mais próximos (chamados primeiros vizinhos). Representando os átomos de um sólido como pontos e suas interações como segmentos de retas unindo esses pontos, obtêm-se uma figura geométrica chamada rede cristalina. Acontece que para alguns sólidos cada ponto dessa rede representa mais de um átomo do material e mesmo entre os primeiros vizinhos as interações podem ser distintas. Nesse caso é comum que a expressão que fornece as energias permitidas aos elétrons (bandas de energia) envolva uma raiz quadrada. O que os pesquisadores do Reino Unido e dos EUA encontraram (teoricamente) foi que extraindo a raiz quadrada da expressão geral (não de número específicos – isso uma calculadora faz) com o auxílio de operadores é possível obter uma nova estrutura de bandas mas que agora possui estados topológicos [3]. Fazendo o caminho de volta eles conseguiram determinar a rede cristalina associada a nova estrutura de bandas. A vantagem dessa receita é que a nova rede cristalina usa os mesmos átomos da rede original, apenas o acoplamento entres os átomos é que muda [4].

Nessa mesma edição da Physical Review B foi publicado um outro artigo que visa esclarecer a origem do magnetismo apresentado por nanopartículas de CeO2 [5]. O óxido de cério tem sido bastante estudado graças a sua capacidade de controlar a concentração de vacâncias de oxigênio, resultante da habilidade do Ce em poder estar no estado Ce3+ ou no Ce4+. Essa capacidade de redução de oxigênio, junto ao fato do material ser um semicondutor e de suas nanopartículas apresentarem ferromagnetismo em temperatura ambiente, faz dessas nanopartículas candidatas interessantíssimas para permitir uma integração mais fácil entre a microeletrônica baseada em silício e dispositivos da spintrônica.

O artigo de autoria dos pesquisadores brasileiros A. N. Ribeiro (autor do Saense) e N.S. Ferreira mostra, através de um estudo teórico sistemático, que o ferromagnetismo apresentado em temperatura ambiente por essas nanopartículas é principalmente devido a vacâncias isoladas de oxigênio presentes nas faces (110) e decorrente de um mecanismo similar ao do ferromagnetismo de banda flat [5].

[1] Crédito da imagem: A13ean / Creative Commons (CC BY-SA 3.0). URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Topological_insulator_band_structure.svg?uselang=pt-br.

[2] AN Ribeiro. Existem mais coisas na natureza do que imagina nossa vã filosofia! Saense. URL: http://www.saense.com.br/2016/11/existem-mais-coisas-na-natureza-do-que-imagina-nossa-va-filosofia/. Publicado em 14 de novembro (2016).

[3] J Arkinstall et al. Topological tight-binding models from nontrivial square roots. Physical Review B 95, 165109 (2017).

[4] J Thomas. Physics – Synopsis: The Square Root to Topological States. https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevB.95.165109. Acesso: 08 de maio (2017).

[5] AN Ribeiro and NS Ferreira. Systematic study of the physical origin of ferromagnetism in CeO2−δ nanoparticles. Physical Review B 95, 144430 (2017).

Como citar este artigo: André Neves Ribeiro. Receita para obter uma rede cristalina com estrutura de bandas com estados topológicos: aplique a raiz quadrada. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2017/05/receita-para-obter-uma-rede-cristalina-com-estrutura-de-bandas-com-estados-topologicos-aplique-a-raiz-quadrada/. Publicado em 08 de maio (2017).

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André Neves Ribeiro

Doutor em Física. Professor do Instituto Federal de Sergipe. Escreve sobre Spintrônica no Saense.

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