Symmetry-constrained coexistence of charge-three and charge-one Weyl points in nonmagnetic crystals

No mundo quântico, os elétrons nem sempre se comportam como simples partículas movendo-se através de um sólido. Em certos materiais exóticos, eles podem agir como se fossem sem massa, correndo através da rede cristalina a velocidades que mimetizam a luz. Esses materiais são conhecidos como semimetais de Weyl. Dentro deles, as bandas de energia dos elétrons cruzam-se em pontos específicos, criando nós isolados. Esses nós agem como pequenos ímãs para uma propriedade oculta do movimento do elétron chamada "carga topológica". Assim como um ímã tem um polo norte e um polo sul, esses nós têm uma carga que pode ser positiva ou negativa. Na maioria dos materiais conhecidos, essas cargas são pequenas, geralmente iguais a um. No entanto, a física permite nós com cargas muito maiores, como três. Esses nós de alta carga são raros e difíceis de encontrar porque as regras da estrutura do cristal devem estar perfeitamente alinhadas para protegê-los. Se a simetria do cristal for quebrada, esses nós especiais podem se separar ou desaparecer.

Por muito tempo, os cientistas lutaram para encontrar um material não magnético limpo que abrigasse esses nós de alta carga sem a interferência de outros estados eletrônicos. O desafio é agravado por uma lei fundamental da física: a carga total em um cristal deve sempre somar zero. Isso significa que, se um material contém um nó com uma carga de três, ele também deve conter outros nós com cargas negativas para equilibrar. Até agora, o arranjo específico desses nós de equilíbrio ao lado dos nós de alta carga permanecia amplamente inexplorado. Os pesquisadores não tinham um mapa claro de quais estruturas cristalinas poderiam suportar essa coexistência delicada, nem haviam encontrado um material do mundo real que demonstrasse perfeitamente esse arranjo complexo.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Yanshan, na China, preencheu agora essa lacuna combinando análise de simetria teórica com simulações computacionais para projetar e identificar tais materiais. Eles focaram em uma configuração específica e complexa: um cristal contendo dois nós com uma carga de três, equilibrados por seis nós com uma carga negativa de um. Esse arranjo forma um sistema estável e de carga neutra. Ao analisar todos os tipos possíveis de simetria de cristal, a equipe identificou doze estruturas cristalinas específicas que poderiam abrigar esse arranjo sem a influência do acoplamento spin-órbita, um efeito quântico que frequentemente complica o comportamento eletrônico. Quando incluíram esse efeito, o número de estruturas possíveis subiu para vinte e três. Essa busca sistemática forneceu um roteiro para encontrar esses materiais raros na natureza.

Seguindo esse mapa teórico, os pesquisadores voltaram sua atenção para o boro, um elemento leve que é naturalmente fraco nos efeitos quânticos que costumam obscurecer essas características delicadas. Eles descobriram duas formas distintas de boro que correspondem perfeitamente às suas previsões. A primeira, chamada TBR-B48, é uma estrutura feita de fitas triangulares onduladas. Neste material, os nós de alta carga aparecem em uma forma que lembra uma ampulheta, onde as bandas de energia torcem-se e cruzam-se de uma maneira específica. O segundo material, o OBD-B48, é uma estrutura quiral, o que significa que existe em versões destras e sinistras, tal como um par de luvas. Neste material, os nós de alta carga não formam uma forma de ampulheta, mas assumem uma configuração diferente, não-ampulheta. Ambos os materiais são previstos como mecanicamente e dinamicamente estáveis, o que significa que podem existir como cristais sólidos sem se desintegrarem.

Os pesquisadores então simularam o comportamento de elétrons na superfície desses cristais. Devido ao arranjo único das cargas no interior, a superfície do material deve exibir padrões distintos de fluxo de elétrons, conhecidos como arcos de Fermi. Para o material com os nós em forma de ampulheta, a simulação mostrou que, ao observar a superfície de um determinado ângulo, seis caminhos distintos de elétrons emergiriam de um único ponto, conectando-se a outros seis pontos na superfície. Isso é uma consequência direta da alta carga dos nós internos. Quando visualizados de um ângulo diferente, esses caminhos dividem-se em três grupos separados. No boro quiral, os pesquisadores descobriram que, ao inverter o cristal de sua forma de mão esquerda para a de mão direita, o sinal de cada carga no interior era revertido. Os nós positivos tornaram-se negativos, e os negativos tornaram-se positivos, mas o padrão geral dos caminhos dos elétrons permaneceu o mesmo, apenas espelhado. Essa descoberta estabelece uma ligação direta entre a torção física do cristal e a torção das propriedades quânticas do elétron.

Para provar que esses nós de alta carga dependem inteiramente da simetria do cristal, a equipe simulou o que aconteceria se esticassem o cristal TBR-B48. Quando puxaram o cristal ao longo de uma direção específica, quebraram a simetria de rotação de seis ordens que protegia os nós de alta carga. Como previsto, o único nó com uma carga de três não desapareceu; em vez disso, ele se dividiu em três nós separados, cada um carregando uma carga de um. O complexo padrão de seis caminhos de elétrons na superfície reorganizou-se em padrões mais simples correspondentes a essas novas cargas menores. Este experimento, realizado no computador, demonstrou que o estado de alta carga não é um recurso acidental, mas um resultado direto da geometria de simetria do cristal. Se a simetria for removida, o estado de alta carga dissolve-se em estados convencionais.

Este trabalho fornece um guia claro para a busca de novos materiais quânticos. Ele vai além de simplesmente procurar por nós de alta carga isolados e foca, em vez disso, em todo o sistema de cargas que deve existir junto para satisfazer as leis da física. Ao identificar alotropos de boro específicos que realizam essa configuração complexa, os pesquisadores ofereceram alvos tangíveis para que experimentalistas os sintetizem e estudem. A descoberta de que a quiralidade do cristal pode controlar o sinal da carga topológica, e que a tensão pode alternar o material entre estados de alta e baixa carga, abre novos caminhos para manipular propriedades quânticas. Essas descobertas sugerem que, ao projetar cuidadosamente a simetria de um cristal, os cientistas podem engenhar materiais com comportamentos eletrônicos exóticos que antes eram considerados demasiado raros para serem encontrados na natureza.