Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton descobriu uma nova classe de ímãs que exibe novos efeitos quânticos que se estendem à temperatura ambiente.
Os pesquisadores descobriram uma fase topológica quantizada em um ímã intocado. Suas descobertas fornecem insights sobre uma teoria de 30 anos de como os elétrons quantificam espontaneamente e demonstram um método de prova de princípio para descobrir novos ímãs topológicos. Os ímãs quânticos são plataformas promissoras para corrente sem dissipação, alta capacidade de armazenamento e futuras tecnologias verdes. O estudo foi publicado na revista Nature nesta semana.
As raízes da descoberta estão no funcionamento do efeito Hall quântico – uma forma de efeito topológico que foi objeto do Prêmio Nobel de Física em 1985. Foi a primeira vez que um ramo da matemática teórica, chamada topologia, começaria a fundamentalmente mudar como descrevemos e classificamos a matéria que compõe o mundo ao nosso redor. Desde então, as fases topológicas têm sido intensamente estudadas em ciências e engenharia. Muitas novas classes de materiais quânticos com estruturas eletrônicas topológicas foram encontradas, incluindo isoladores topológicos e semimetais de Weyl. No entanto, embora algumas das idéias teóricas mais empolgantes exijam magnetismo, a maioria dos materiais explorados não é magnética e não mostra quantização, deixando muitas possibilidades tentadoras por realizar.
“A descoberta de um material topológico magnético com comportamento quantizado é um grande passo à frente que pode abrir novos horizontes no aproveitamento da topologia quântica para a física fundamental futura e a pesquisa de dispositivos da próxima geração”, disse M. Zahid Hasan, professor de física de Eugene Higgins em Princeton University, que liderou a equipe de pesquisa.
Enquanto as descobertas experimentais estavam sendo feitas rapidamente, a física teórica se destacava no desenvolvimento de idéias que levavam a novas medições. Conceitos teóricos importantes sobre isoladores topológicos 2-D foram apresentados em 1988 por F. Duncan Haldane, professor de Física Matemática D. Thomas Jones e professor de física da Universidade Sherman Fairchild em Princeton, que em 2016 recebeu o Prêmio Nobel de Física para descobertas teóricas de transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria. Desenvolvimentos teóricos subsequentes mostraram que o magnetismo topológico de isolamento de isoladores em um arranjo atômico especial conhecido como retículo kagome pode hospedar alguns dos efeitos quânticos mais bizarros.
Hasan e sua equipe estão em uma busca de uma década por um estado quântico magnético topológico que também pode operar em temperatura ambiente desde a descoberta dos primeiros exemplos de isoladores topológicos tridimensionais. Recentemente, eles encontraram uma solução de materiais para a conjectura de Haldane em um ímã de rede kagome que é capaz de operar à temperatura ambiente, o que também exibe a quantização desejada. “A rede kagome pode ser projetada para possuir cruzamentos de banda relativísticos e fortes interações elétron-elétron. Ambos são essenciais para um novo magnetismo. Portanto, percebemos que os ímãs kagome são um sistema promissor no qual procurar fases topológicas de ímãs, como são as isoladores topológicos que estudamos anteriormente “, disse Hasan.
Por tanto tempo, o material direto e a visualização experimental desse fenômeno permaneceram ilusórios. A equipe descobriu que a maioria dos ímãs do kagome era muito difícil de sintetizar, o magnetismo não era suficientemente compreendido, nenhuma assinatura experimental decisiva da topologia ou quantização pôde ser observada ou eles operam apenas em temperaturas muito baixas.
“Uma química atômica adequada e um design de estrutura magnética, acoplado à teoria dos primeiros princípios, é o passo crucial para tornar a previsão especulativa de Duncan Haldane realista em um ambiente de alta temperatura”, disse Hasan. “Existem centenas de ímãs kagome, e precisamos de intuição, experiência, cálculos específicos de materiais e intensos esforços experimentais para, eventualmente, encontrar o material certo para uma exploração aprofundada. E isso nos levou a uma jornada de uma década.”
As setas representam os giros dos elétrons apontando para cima de uma rede kagome. A quiralidade é representada pelo círculo de fogo no sentido anti-horário, que representa os elétrons / corrente de propagação na borda do ímã. Os dois cones demonstram que a maior parte do ímã contém férmions de Dirac (dispersão linear ou cônica de faixas) com um gap de energia (gap de Chern), tornando-o topológico. Crédito: Grupo M. Zahid Hasan, Universidade de Princeton
Através de vários anos de intensa pesquisa em várias famílias de ímãs topológicos (Nature 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11, 559 ( 2020), Phys. Rev. Lett. 125, 046401 (2020)), a equipe percebeu gradualmente que um material feito dos elementos térbio, manganês e estanho (TbMn6Sn6) possui a estrutura cristalina ideal com propriedades mecânicas quânticas imaculadas quimicamente e espacialmente camadas de rede kagome segregadas. Além disso, possui uma forte magnetização fora do plano. Com esse ímã kagome ideal sintetizado com sucesso no grande nível de cristal único por colaboradores do grupo de Shuang Jia na Universidade de Pequim, o grupo de Hasan iniciou medições sistemáticas de última geração para verificar se os cristais são topológicos e, mais importante, apresentam o desejado estado magnético quântico exótico.
A equipe de pesquisadores de Princeton usou uma técnica avançada conhecida como microscopia de tunelamento, capaz de investigar as funções eletrônicas e de ondas de rotação de um material na escala subatômica com resolução de energia abaixo de milivolt. Sob essas condições ajustadas, os pesquisadores identificaram os átomos da rede magnética de kagome no cristal, descobertas que foram confirmadas pela espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo de última geração com resolução de momento.
“A primeira surpresa foi que a rede kagome magnética desse material é super limpa em nossa microscopia de tunelamento”, disse Songtian Sonia Zhang, coautora do estudo que obteve seu doutorado. em Princeton no início deste ano. “A visualização experimental de uma rede de kagome magnético sem defeitos oferece uma oportunidade sem precedentes para explorar suas propriedades quânticas topológicas intrínsecas”.
O verdadeiro momento mágico foi quando os pesquisadores ativaram um campo magnético. Eles descobriram que os estados eletrônicos da rede kagome modulam dramaticamente, formando níveis de energia quantizados de maneira consistente com a topologia do Dirac. Ao aumentar gradualmente o campo magnético para 9 Tesla, centenas de milhares de vezes maior que o campo magnético da Terra, eles mapearam sistematicamente a quantização completa desse ímã. “É extremamente raro – ainda não foi encontrado – encontrar um sistema magnético topológico com o diagrama quantificado. Requer um projeto de material magnético quase sem defeitos, teoria afinada e medições espectroscópicas de ponta”, disse Nana Shumiya , estudante de graduação e co-autor do estudo.
O diagrama quantificado que a equipe mediu fornece informações precisas, revelando que a fase eletrônica corresponde a uma variante do modelo de Haldane. Ele confirma que o cristal apresenta uma dispersão Dirac polarizada por rotação com um grande intervalo Chern, conforme esperado pela teoria para ímãs topológicos. No entanto, uma peça do quebra-cabeça ainda estava faltando. “Se isso é realmente uma lacuna de Chern, então, com base no princípio topológico fundamental de contorno em massa, devemos observar estados quirais (tráfego de mão única) na borda do cristal”, disse Hasan.
A peça final se encaixou quando os pesquisadores examinaram o limite ou a borda do ímã. Eles encontraram uma assinatura clara de um estado de borda apenas dentro do gap de energia de Chern. Propagando ao longo do lado do cristal sem dispersão aparente (que revela seu caráter sem dissipação), o estado foi confirmado como o estado da borda topológica quiral. A imagem desse estado não tinha precedentes em nenhum estudo anterior de ímãs topológicos.
Os pesquisadores usaram outras ferramentas para verificar e reconfirmar suas descobertas sobre os férmions de Dirac com Chern, incluindo medições de transporte elétrico de escala anômala de Hall, espectroscopia de fotoemissão resolvida por ângulo da dispersão de Dirac no espaço de momento e cálculos dos primeiros princípios da ordem topológica na família material. Os dados forneceram um espectro completo de evidências interligadas, todas apontando para a realização de uma fase Chern com limite quântico neste ímã kagome. “Todas as peças se encaixam em uma demonstração didática da física dos férmions magnéticos do Dirac, com lacunas em Chern”, disse Tyler A. Cochran, estudante de graduação e co-primeiro autor do estudo.
Agora, o foco teórico e experimental do grupo está mudando para dezenas de compostos com estruturas semelhantes ao TbMn6Sn6 que hospedam reticulados de kagome com uma variedade de estruturas magnéticas, cada um com sua topologia quântica individual. “Nossa visualização experimental da fase Chern com limite quântico demonstra uma metodologia de prova de princípio para descobrir novos ímãs topológicos”, disse Jia-Xin Yin, pesquisadora sênior de pós-doutorado e outra co-primeira autora do estudo.
“É como descobrir água em um exoplaneta – abre uma nova fronteira de pesquisa topológica de matéria quântica para a qual nosso laboratório em Princeton foi otimizado”, disse Hasan.
Publicado em 25/07/2020 20h23
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