Novo tipo de magnetismo detectado em um material projetado | Revista Quanta

Todos os ímãs com os quais você já interagiu, como as bugigangas presas na porta da geladeira, são magnéticos pelo mesmo motivo. Mas e se houvesse outra maneira mais estranha de tornar um material magnético?

Em 1966, o físico japonês Yosuke Nagaoka concebeu um tipo de magnetismo produzido por uma dança aparentemente não natural de elétrons dentro de um material hipotético. Agora, uma equipa de físicos descobriu uma versão das previsões de Nagaoka a decorrer num material de engenharia com apenas seis átomos de espessura.

A descoberta, recentemente publicado na revista Natureza, marca o mais recente avanço na busca de cinco décadas pelo ferromagnetismo Nagaoka, no qual um material magnetiza à medida que os elétrons dentro dele minimizam sua energia cinética, em contraste com os ímãs tradicionais. “É por isso que estou fazendo esse tipo de pesquisa: posso aprender coisas que não sabíamos antes, ver coisas que não vimos antes”, disse o coautor do estudo. Livio Ciorciaro, que concluiu o trabalho enquanto era doutorando no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, Instituto de Eletrônica Quântica.

Em 2020, pesquisadores criaram o ferromagnetismo Nagaoka em um pequeno sistema contendo apenas três elétrons, um dos menores sistemas possíveis em que o fenômeno pode ocorrer. No novo estudo, Ciorciaro e seus colegas fizeram isso acontecer em um sistema estendido – uma estrutura padronizada chamada rede moiré, formada por duas folhas finas de nanômetros.

Este estudo “é um uso muito legal dessas redes moiré, que são relativamente novas”, disse Juan Pablo Dehollain, coautor do estudo de 2020 que concluiu o trabalho na Delft University of Technology. “Ele olha para esse ferromagnetismo de uma maneira diferente.”

Quando seus giros paralelos fazem com que um campo comece

O ferromagnetismo tradicional surge porque os elétrons não gostam muito uns dos outros, então eles não desejam se encontrar.

Imagine dois elétrons sentados um ao lado do outro. Eles se repelirão porque ambos têm cargas elétricas negativas. Seu estado de energia mais baixa os encontrará distantes. E os sistemas, via de regra, se acomodam em seu estado de energia mais baixa.

De acordo com a mecânica quântica, os elétrons têm algumas outras propriedades críticas. Primeiro, eles se comportam menos como pontos individuais e mais como nuvens probabilísticas de neblina. Em segundo lugar, eles têm uma propriedade quântica chamada spin, que é algo como um ímã interno que pode apontar para cima ou para baixo. E terceiro, dois eletrões não podem estar no mesmo estado quântico.

Como consequência, os elétrons que têm o mesmo spin vão querer muito se afastar uns dos outros — se estiverem no mesmo lugar, com o mesmo spin, correm o risco de ocupar o mesmo estado quântico. Os elétrons sobrepostos com spins paralelos ficam um pouco mais distantes uns dos outros do que estariam de outra forma.

Na presença de um campo magnético externo, este fenômeno pode ser forte o suficiente para persuadir os spins dos elétrons a se alinharem como pequenas barras magnéticas, criando um campo magnético macroscópico dentro do material. Em metais como o ferro, essas interações eletrônicas, chamadas interações de troca, são tão potentes que a magnetização induzida é permanente, desde que o metal não seja muito aquecido.

“A razão pela qual temos magnetismo em nossas vidas cotidianas é a força das interações de troca de elétrons”, disse o coautor do estudo. Ataç İmamoğlu, físico também do Instituto de Eletrônica Quântica.

No entanto, como Nagaoka teorizou na década de 1960, as interações de troca podem não ser a única maneira de tornar um material magnético. Nagaoka imaginou uma rede quadrada e bidimensional onde cada local da rede tivesse apenas um elétron. Então ele descobriu o que aconteceria se você removesse um desses elétrons sob certas condições. À medida que os elétrons restantes da rede interagiam, o buraco onde estava o elétron ausente deslizaria pela rede.

No cenário de Nagaoka, a energia geral da rede estaria no seu nível mais baixo quando os spins dos seus electrões estivessem todos alinhados. Cada configuração eletrônica teria a mesma aparência – como se os elétrons fossem peças idênticas no mundo mais chato do mundo. quebra-cabeça de azulejos deslizantes. Esses giros paralelos, por sua vez, tornariam o material ferromagnético.

Quando duas grades com uma torção fazem existir um padrão

İmamoğlu e seus colegas suspeitaram que poderiam criar o magnetismo de Nagaoka experimentando folhas de átomos de camada única que poderiam ser empilhadas para formar um intrincado padrão moiré (pronuncia-se mwah-ray). Em materiais em camadas atomicamente finos, os padrões moiré podem alterar radicalmente o comportamento dos elétrons - e, portanto, dos materiais. Por exemplo, em 2018 o físico Pablo Jarillo-Herrero e seus colegas demonstraram que pilhas de grafeno de duas camadas ganharam a capacidade de supercondução quando compensaram as duas camadas com uma torção.

Desde então, os materiais moiré surgiram como um novo sistema atraente para estudar o magnetismo, encaixados ao lado de nuvens de átomos super-resfriados e materiais complexos como os cupratos. “Os materiais Moiré nos fornecem um playground para, basicamente, sintetizar e estudar estados de elétrons de muitos corpos”, disse İmamoğlu.

Os pesquisadores começaram sintetizando um material a partir de monocamadas dos semicondutores disseleneto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio, que pertencem a uma classe de materiais que simulações anteriores havia implícito que poderia exibir magnetismo do estilo Nagaoka. Eles então aplicaram campos magnéticos fracos de intensidades variadas ao material moiré enquanto rastreavam quantos spins de elétrons do material estavam alinhados com os campos.

Os pesquisadores então repetiram essas medições enquanto aplicavam diferentes voltagens ao material, o que alterou quantos elétrons havia na rede moiré. Eles encontraram algo estranho. O material era mais propenso a se alinhar com um campo magnético externo – isto é, a se comportar de forma mais ferromagneticamente – somente quando tinha até 50% mais elétrons do que locais na rede. E quando a rede tinha menos elétrons do que os locais da rede, os pesquisadores não viram sinais de ferromagnetismo. Isso foi o oposto do que eles esperariam ver se o ferromagnetismo padrão de Nagaoka estivesse em ação.

Por mais que o material fosse magnetizante, as interações de troca não pareciam estar impulsionando isso. Mas as versões mais simples da teoria de Nagaoka também não explicavam completamente as suas propriedades magnéticas.

Quando suas coisas são magnetizadas e você fica um pouco surpreso

Em última análise, tudo se resumia ao movimento. Os electrões diminuem a sua energia cinética ao espalharem-se no espaço, o que pode fazer com que a função de onda que descreve o estado quântico de um electrão se sobreponha aos dos seus vizinhos, unindo os seus destinos. No material da equipe, uma vez que havia mais elétrons na rede moiré do que locais de rede, a energia do material diminuiu quando os elétrons extras se deslocalizaram como neblina bombeada através de um palco da Broadway. Eles então emparelharam-se fugazmente com elétrons na rede para formar combinações de dois elétrons chamadas doublons.

Esses elétrons extras itinerantes, e os dobrões que eles continuaram formando, não poderiam se deslocalizar e se espalhar dentro da rede, a menos que todos os elétrons nos locais da rede circundante tivessem spins alinhados. À medida que o material perseguia incessantemente o seu estado de energia mais baixa, o resultado final foi que os dobrões tendiam a criar pequenas regiões ferromagnéticas localizadas. Até um certo limite, quanto mais dobrões percorrem uma rede, mais detectavelmente ferromagnético o material se torna.

Crucialmente, Nagaoka teorizou que este efeito também funcionaria quando uma rede tivesse menos electrões do que locais de rede, o que não foi o que os investigadores observaram. Mas de acordo com o trabalho teórico da equipe – publicado em Pesquisa de revisão física em junho, antes dos resultados experimentais – essa diferença se resume às peculiaridades geométricas da rede triangular que eles usaram versus a quadrada nos cálculos de Nagaoka.

Isso é um-Moiré

Você não poderá fixar ferromagnetos cinéticos em sua geladeira tão cedo, a menos que cozinhe em um dos lugares mais frios do universo. Os pesquisadores avaliaram o material moiré quanto ao comportamento ferromagnético em temperaturas geladas de 140 milikelvins.

Para İmamoğlu, a substância revela, no entanto, novos e excitantes caminhos para sondar o comportamento dos electrões em sólidos – e em aplicações com as quais Nagaoka apenas poderia ter sonhado. Em colaboração com Eugene Demler e Ivan Morera Navarro, físicos teóricos do Instituto de Física Teórica, ele quer explorar se mecanismos cinéticos como os que atuam no material moiré poderiam ser usados ​​para manipular partículas carregadas para emparelharem-se, potencialmente apontando o caminho para um novo mecanismo de supercondutividade.

“Não estou dizendo que isso seja possível ainda”, disse ele. “É para lá que eu quero ir.”