Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descobriram um estado magnético da matéria há muito previsto chamado de “isolante excitônico antiferromagnético”.
“Em termos gerais, este é um novo tipo de ímã”, disse Mark Dean, físico do Brookhaven Lab, autor sênior de um artigo que descreve a pesquisa recém publicada na Nature Communications. “Como os materiais magnéticos estão no centro de grande parte da tecnologia ao nosso redor, novos tipos de ímãs são fundamentalmente fascinantes e promissores para aplicações futuras”.
O novo estado magnético envolve forte atração magnética entre elétrons em um material em camadas que faz com que os elétrons queiram organizar seus momentos magnéticos, ou “spins”, em um padrão “antiferromagnético” regular de cima para baixo. A ideia de que tal antiferromagnetismo poderia ser impulsionado pelo peculiar acoplamento de elétrons em um material isolante foi prevista pela primeira vez na década de 1960, quando os físicos exploraram as diferentes propriedades de metais, semicondutores e isolantes.
“Sessenta anos atrás, os físicos estavam apenas começando a considerar como as regras da mecânica quântica se aplicam às propriedades eletrônicas dos materiais”, disse Daniel Mazzone, ex-físico do Brookhaven Lab que liderou o estudo e agora está no Paul Scherrer Institut, na Suíça. “Eles estavam tentando descobrir o que acontece quando você faz a ‘lacuna de energia’ eletrônica entre um isolante e um condutor cada vez menor. Você apenas transforma um isolante simples em um metal simples onde os elétrons podem se mover livremente, ou faz algo mais interessante acontecer?”
A previsão era que, sob certas condições, você poderia obter algo mais interessante: ou seja, o “isolante excitônico antiferromagnético” recém descoberto pela equipe de Brookhaven.
Por que esse material é tão exótico e interessante? Para entender, vamos mergulhar nesses termos e explorar como esse novo estado da matéria se forma.
Em um antiferromagneto, os elétrons em átomos adjacentes têm seus eixos de polarização magnética (spins) alinhados em direções alternadas: para cima, para baixo, para cima, para baixo e assim por diante. Na escala de todo o material, essas orientações magnéticas internas alternadas se cancelam, resultando em nenhum magnetismo líquido do material geral. Esses materiais podem ser trocados rapidamente entre diferentes estados. Eles também são resistentes à perda de informações devido à interferência de campos magnéticos externos. Essas propriedades tornam os materiais antiferromagnéticos atraentes para as modernas tecnologias de comunicação.
Em seguida, temos o excitônico. Os excitons surgem quando certas condições permitem que os elétrons se movam e interajam fortemente uns com os outros para formar estados ligados. Os elétrons também podem formar estados ligados com “buracos”, as vagas deixadas para trás quando os elétrons saltam para uma posição ou nível de energia diferente em um material. No caso de interações elétron-elétron, a ligação é impulsionada por atrações magnéticas que são fortes o suficiente para superar a força repulsiva entre as duas partículas de carga semelhante. No caso de interações elétron-buraco, a atração deve ser forte o suficiente para superar a “lacuna de energia” do material, característica de um isolante.
“Um isolante é o oposto de um metal; é um material que não conduz eletricidade”, disse Dean. Os elétrons no material geralmente ficam em um estado de energia baixo, ou “terra”. “Os elétrons estão todos presos no lugar, como pessoas em um anfiteatro cheio; eles não podem se mover”, disse ele. Para fazer os elétrons se moverem, você precisa dar a eles um aumento de energia grande o suficiente para superar uma lacuna característica entre o estado fundamental e um nível de energia mais alto.
Em circunstâncias muito especiais, o ganho de energia das interações magnéticas elétron-buraco pode superar o custo de energia dos elétrons saltando através da lacuna de energia.
Agora, graças a técnicas avançadas, os físicos podem explorar essas circunstâncias especiais para aprender como emerge o estado isolante excitônico antiferromagnético.
Uma equipe colaborativa trabalhou com um material chamado óxido de irídio de estrôncio (Sr3Ir2O7), que mal isola a altas temperaturas. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory) e Jennifer Sears (Brookhaven Lab) usaram raios-X na Advanced Photon Source – uma instalação de usuários do DOE Office of Science no Argonne National Laboratory – para medir a interações magnéticas e custo de energia associado de elétrons em movimento. Jian Liu e Junyi Yang da Universidade do Tennessee e os cientistas de Argonne Mary Upton e Diego Casa também fizeram contribuições importantes.
A equipe iniciou sua investigação em alta temperatura e gradualmente resfriou o material. Com o resfriamento, a lacuna de energia diminuiu gradualmente. A 285 Kelvin (cerca de 53 graus Fahrenheit), os elétrons começaram a saltar entre as camadas magnéticas do material, mas imediatamente formaram pares ligados com os buracos que deixaram para trás, desencadeando simultaneamente o alinhamento antiferromagnético dos spins dos elétrons adjacentes. Hidemaro Suwa e Christian Batista da Universidade do Tennessee realizaram cálculos para desenvolver um modelo usando o conceito do isolante excitônico antiferromagnético previsto e mostraram que este modelo explica de forma abrangente os resultados experimentais.
“Usando raios-X, observamos que a ligação desencadeada pela atração entre elétrons e buracos na verdade devolve mais energia do que quando o elétron saltou sobre o band gap”, explicou Yao Shen. “Como a energia é economizada por esse processo, todos os elétrons querem fazer isso. Então, depois que todos os elétrons realizaram a transição, o material parece diferente do estado de alta temperatura em termos do arranjo geral de elétrons e spins. O novo A configuração envolve os spins dos elétrons sendo ordenados em um padrão antiferromagnético, enquanto os pares ligados criam um estado isolante ‘travado’.
A identificação do isolante excitônico antiferromagnético completa uma longa jornada explorando as maneiras fascinantes que os elétrons escolhem para se organizar nos materiais. No futuro, entender as conexões entre spin e carga em tais materiais pode ter potencial para a realização de novas tecnologias.
Publicado em 26/02/2022 23h00
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