Cientistas descobrem um novo cristal que exibe uma forma exótica de magnetismo

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Este não é o imã de geladeira da sua avó.

Uma forma exótica de magnetismo foi descoberta e associada a um tipo igualmente exótico de elétrons, de acordo com cientistas que analisaram um novo cristal no qual eles aparecem no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). O magnetismo é criado e protegido pela estrutura eletrônica exclusiva do cristal, oferecendo um mecanismo que pode ser explorado para dispositivos de armazenamento de informações rápidos e robustos.

O material recém-inventado tem uma estrutura incomum que conduz eletricidade, mas faz com que os elétrons fluentes se comportem como partículas sem massa, cujo magnetismo está ligado à direção de seu movimento. Em outros materiais, como elétrons de Weyl

elicitaram novos comportamentos relacionados à condutividade elétrica. Nesse caso, entretanto, os elétrons promovem a formação espontânea de uma espiral magnética.

“Nossa pesquisa mostra um raro exemplo dessas partículas impulsionando o magnetismo coletivo”, disse Collin Broholm, um físico da Universidade Johns Hopkins que liderou o trabalho experimental no NIST Center for Neutron Research (NCNR). “Nosso experimento ilustra uma forma única de magnetismo que pode surgir dos elétrons de Weyl.”

As descobertas, que aparecem na Nature Materials, revelam uma relação complexa entre o material, os elétrons fluindo através dele como corrente e o magnetismo que o material exibe.

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Este cristal “semimetal” consiste em células unitárias repetidas, como a da esquerda, que tem um topo quadrado e lados retangulares. As esferas representam silício (violeta), alumínio (turquesa) e – em ouro – átomos de neodímio (Nd), os últimos dos quais são magnéticos. Compreender as propriedades magnéticas especiais do material requer nove dessas células unitárias, mostradas como o bloco maior à direita (que tem uma única célula unitária delineada em vermelho). Este bloco 3 × 3 mostra elétrons verdes “Weyl” viajando diagonalmente pelo topo das células e afetando a orientação do spin magnético dos átomos de Nd. Uma propriedade especial do elétron de Weyl é o bloqueio de sua direção de spin, que tanto aponta paralela ou antiparalela à direção de seu movimento, conforme representado pelas pequenas setas nos elétrons de Weyl. À medida que esses elétrons viajam ao longo dos quatro átomos de ouro Nd, os giros Nd se reorientam em uma “espiral de spin” que pode ser imaginada como apontando sucessivamente na direção das 12 horas (mais próximo do visualizador com a seta vermelha apontando para cima), 4 o ‘ relógio (seta azul), 8 horas (também em azul) e novamente 12 horas (mais distante do visor e novamente em vermelho). Linhas de átomos de Nd se estendem por muitas camadas do cristal, oferecendo muitos exemplos desse padrão magnético incomum. Crédito: N. Hanacek / NIST oferecendo muitos exemplos deste padrão magnético incomum. Crédito: N. Hanacek / NIST oferecendo muitos exemplos deste padrão magnético incomum. Crédito: N. Hanacek / NIST

Em um ímã de geladeira, às vezes imaginamos cada um de seus átomos de ferro como tendo uma barra de ímã perfurando-o com seu pólo “norte” apontando em uma determinada direção. Esta imagem se refere às orientações de spin dos átomos, que se alinham em paralelo. O material que a equipe estudou é diferente. É um “semimetal” feito de silício e os metais alumínio e neodímio. Juntos, esses três elementos formam um cristal, o que implica que seus átomos componentes estão dispostos em um padrão de repetição regular. No entanto, é um cristal que quebra a simetria de inversão, o que significa que o padrão de repetição é diferente em um lado das células unitárias de um cristal – o menor bloco de construção de uma rede de cristal – do outro. Esse arranjo estabiliza os elétrons que fluem através do cristal, que por sua vez conduzem a um comportamento incomum em seu magnetismo.

A estabilidade dos elétrons se mostra como uma uniformidade na direção de seus spins. Na maioria dos materiais que conduzem eletricidade, como o fio de cobre, os elétrons que fluem através do fio têm giros que apontam em direções aleatórias. Não é assim no semimetal, cuja simetria quebrada transforma os elétrons que fluem em elétrons de Weyl cujos spins são orientados na direção em que o elétron viaja ou na direção exatamente oposta. É esse bloqueio dos spins dos elétrons de Weyl em sua direção de movimento – seu momento – que causa o raro comportamento magnético do semimetal.

“Nosso experimento ilustra uma forma única de magnetismo que pode surgir dos elétrons de Weyl.” – Collin Broholm, um físico da Universidade Johns Hopkins

Todos os três tipos de átomos do material conduzem eletricidade, fornecendo degraus para os elétrons enquanto eles saltam de átomo em átomo. No entanto, apenas os átomos de neodímio (Nd) exibem magnetismo. Eles são suscetíveis à influência dos elétrons de Weyl, que empurram os spins do átomo de Nd de uma forma curiosa. Olhe ao longo de qualquer linha de átomos de Nd que se estende diagonalmente através do semimetal e você verá o que a equipe de pesquisa chama de “espiral de spin”.

“Uma maneira simplificada de imaginar é que o spin do primeiro átomo de Nd aponta para 12 horas, depois o próximo para as 4 horas e o terceiro para as 8 horas”, disse Broholm. “Então o padrão se repete. Essa bela ‘textura’ de spin é impulsionada pelos elétrons de Weyl conforme eles visitam os átomos Nd vizinhos. ”

Foi necessária uma colaboração entre muitos grupos do Institute for Quantum Matter da Johns Hopkins University para revelar o magnetismo especial que surge no cristal. Incluiu grupos que trabalham com síntese de cristal, cálculos numéricos sofisticados e experimentos de espalhamento de nêutrons.

“Para o espalhamento de nêutrons, nós nos beneficiamos muito da extensa quantidade de tempo do feixe de difração de nêutrons que estava disponível para nós no NIST Center for Neutron Research,” disse Jonathan Gaudet, um dos co-autores do artigo. “Sem o tempo do feixe, teríamos perdido essa bela nova física.”

Cada volta da espiral de spin tem cerca de 150 nanômetros de comprimento, e as espirais só aparecem em temperaturas frias abaixo de 7 K. Broholm disse que há materiais com propriedades físicas semelhantes que funcionam em temperatura ambiente e que podem ser aproveitados para criar um sistema magnético eficiente dispositivos de memória.

“A tecnologia de memória magnética, como os discos rígidos, geralmente exige que você crie um campo magnético para que eles funcionem”, disse ele. “Com essa classe de materiais, você pode armazenar informações sem a necessidade de aplicar ou detectar um campo magnético. Ler e escrever as informações eletricamente é mais rápido e mais robusto. ”

Compreender os efeitos que os elétrons de Weyl impulsionam também pode lançar luz sobre outros materiais que trouxeram consternação aos físicos.

“Fundamentalmente, podemos ser capazes de criar uma variedade de materiais com diferentes características de rotação interna – e talvez já tenhamos”, disse Broholm. “Como comunidade, criamos muitas estruturas magnéticas que não compreendemos imediatamente. Tendo visto o caráter especial do magnetismo mediado por Weyl, podemos finalmente ser capazes de compreender e usar essas estruturas magnéticas exóticas. ”

Referência: “Weyl-mediated helical magnetism in NdAlSi” por Jonathan Gaudet, Hung-Yu Yang, Santu Baidya, Baozhu Lu, Guangyong Xu, Yang Zhao, Jose A. Rodriguez-Rivera, Christina M. Hoffmann, David E. Graf, Darius H. Torchinsky, Predrag Nikolić, David Vanderbilt, Fazel Tafti e Collin L. Broholm, 19 de agosto de 2021, Nature Materials .
DOI: 10.1038 / s41563-021-01062-8

Os dados para o estudo foram obtidos em parte com o instrumento espectrômetro de cristal multieixo (MACS), que faz parte do Center for High Resolution Neutron Scattering (CHRNS), uma instalação de usuário nacional financiada conjuntamente pelo NCNR e pela National Science Foundation (NSF )

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