Fônons em espiral transformam um material paramagnético em um ímã – Physics World

Quando a rede atômica de um material vibra, ela produz quasipartículas conhecidas como fônons, ou ondas sonoras quantizadas. Em certos materiais, vibrar a rede em um padrão de saca-rolhas tornará esses fônons quirais, o que significa que eles assumem a “lateralidade” da vibração que os produziu. Agora, investigadores da Universidade Rice, nos EUA, descobriram que estes fônons quirais têm um efeito adicional: podem tornar o material magnético. Esta descoberta poderia ser usada para induzir propriedades que são difíceis de encontrar em materiais naturais.

Uma dessas propriedades difíceis de encontrar diz respeito às violações da simetria de reversão do tempo dos elétrons. Em essência, a simetria de reversão de tempo implica que os elétrons devem se comportar da mesma forma, independentemente de estarem se movendo para frente ou para trás em um material. A forma mais comum de violar esta simetria é colocar o material num campo magnético, mas para algumas aplicações possíveis, isto não é prático.

Anteriormente, pensava-se que os átomos se moviam muito pouco e muito lentamente na sua rede cristalina para afectar a simetria de reversão do tempo dos electrões. No novo trabalho, porém, uma equipe de Rice liderada por Hanyu Zhu descobriram que quando os átomos giram em torno de suas posições médias na rede a uma taxa de cerca de 10 trilhões de rotações por segundo, as vibrações em forma de espiral resultantes – fônons quirais – quebram a simetria de reversão de tempo dos elétrons e lhes dão uma direção de tempo preferida.

“Cada elétron possui um spin magnético que atua como uma pequena agulha de bússola embutida no material, reagindo ao campo magnético local”, explica o membro da equipe. Boris Yakobson. “A quiralidade – também chamada de lateralidade devido à maneira como as mãos esquerda e direita se espelham sem serem sobrepostas – não deve afetar as energias de spin dos elétrons. Mas, neste caso, o movimento quiral da rede atômica polariza os spins dentro do material como se um grande campo magnético fosse aplicado.”

A magnitude deste campo magnético efetivo é de cerca de 1 Tesla, acrescenta Zhu, tornando-o comparável ao produzido pelos ímãs permanentes mais fortes.

Dirigindo o movimento de uma rede de átomos

Os pesquisadores usaram um campo elétrico rotativo para impulsionar o movimento de uma rede de átomos em um padrão espiral. Eles fizeram isso em um material chamado fluoreto de cério, um trihalogeneto de terras raras que é naturalmente paramagnético, o que significa que os spins de seus elétrons são normalmente orientados aleatoriamente. Eles então monitoraram o spin eletrônico no material usando um pulso de luz curto como sonda, disparando a luz na amostra com atrasos variados após a aplicação do campo elétrico. A polarização da luz da sonda muda de acordo com a direção de rotação.

“Descobrimos que quando o campo elétrico desapareceu, os átomos continuaram a girar e o spin eletrônico continuou girando para se alinhar com a direção de rotação dos átomos”, explica Zhu. “Usando a taxa de inversão dos elétrons, podemos calcular o campo magnético efetivo que eles experimentam em função do tempo.”

O campo calculado concorda com o esperado dos modelos de movimento atômico impulsionado e acoplamento spin-fônon da equipe, diz Zhu. Mundo da física. Esse acoplamento é importante em aplicações como gravação de dados em discos rígidos.

Pesquisadores encontram momento angular 'perdido'

Além de lançar nova luz sobre o acoplamento spin-fônon, que ainda não é totalmente compreendido em haletos de terras raras, as descobertas podem permitir aos cientistas desenvolver materiais que podem ser projetados por outros campos externos, como luz ou flutuações quânticas, diz Zhu. “Venho pensando nessa possibilidade desde meu pós-doutorado na UC Berkeley, quando realizamos os primeiros experimentos resolvidos no tempo para verificar a rotação de átomos em materiais bidimensionais”, explica. “Esses modos de fônons quirais rotacionais foram previstos há alguns anos e, desde então, fiquei me perguntando: o movimento quiral poderia ser usado para controlar materiais eletrônicos?”

Por enquanto, Zhu sublinha que as principais aplicações do trabalho residem na investigação fundamental. No entanto, acrescenta que “no longo prazo, com a ajuda de estudos teóricos, poderemos ser capazes de usar a rotação atómica como um ‘botão de sintonia’ para melhorar propriedades que quebram a reversão do tempo e raramente encontradas em materiais naturais, como a supercondutividade topológica”. .

Os pesquisadores do Rice, que detalham seu trabalho atual em Ciência, agora esperam aplicar seu método para explorar outros materiais e procurar propriedades além da magnetização.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/