maio 22, 2022

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Cientistas descobriram um estranho estado magnético da matéria

energia de partícula magnética espiral abstrata

Os cientistas identificam um estado magnético há muito procurado por quase 60 anos.

Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descobriram um estado magnético do material há muito esperado, chamado de “isolante excitônico antimagnético”.

Mark Dean, físico do Brookhaven Lab e autor sênior de um artigo que descreve a pesquisa recém publicada em Comunicações da Natureza. “Com materiais magnéticos no centro de tantas tecnologias ao nosso redor, novos tipos de ímãs são fundamentalmente fascinantes e promissores para aplicações futuras”.

O novo estado magnético envolve uma forte atração magnética entre elétrons em um material em camadas que faz com que os elétrons queiram organizar seus momentos magnéticos, ou “spin”, em um padrão “antimagnético” regular de cima para baixo. A ideia de tal antiferromagnetismo foi prevista pela primeira vez pelo acoplamento de elétrons torcidos em um isolante na década de 1960, quando os físicos descobriram as diferentes propriedades de metais, semicondutores e isolantes.

A fase histórica do material

Impressão artística de como a equipe identificou essa fase histórica do material. Os pesquisadores usaram raios-X para medir como os espínulos (setas azuis) se movem quando são turbulentos e foram capazes de mostrar que oscilam em comprimento no padrão mostrado acima. Esse comportamento específico ocorre porque a quantidade de carga elétrica em cada local (mostrado como discos amarelos) também pode variar e é a impressão digital usada para determinar o novo comportamento. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

“Sessenta anos atrás, os físicos estavam apenas começando a ver como aplicar as regras da mecânica quântica às propriedades eletrônicas dos materiais”, disse Daniel Mazon, ex-físico do Laboratório Brookhaven que liderou o estudo e agora está no Instituto Paul Scherer em 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 muda um isolante simples para um metal simples onde os elétrons podem se mover livremente, ou algo mais interessante acontece? ?”

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A expectativa era que, sob certas condições, você pudesse obter algo mais interessante: a “excitação antiferromagnética” recém descoberta pela equipe de Brookhaven.

Por que este artigo é tão estranho e interessante? Para entendê-lo, vamos mergulhar nesses termos e explorar como esse novo estado da matéria é formado.

Em um antiferromagneto, os elétrons nos átomos vizinhos têm eixos de polarização magnética (spin) em direções alternadas: para cima, para baixo, para cima, para baixo e assim por diante. Na escala de todo o material, essas direções magnéticas internas alternadas se cancelam, resultando em nenhum magnetismo líquido do material agregado. Esses materiais podem ser trocados rapidamente entre diferentes estados. Também resiste à perda de informações devido à interferência de campos magnéticos externos. Essas propriedades tornam os materiais antimagnéticos atraentes para as modernas tecnologias de comunicação.

A nova etapa da equipe científica

Os membros da equipe de pesquisa incluem: Daniel Mazon (ex-Brookhaven Lab, agora no Paul Scherrer Institute na Suíça), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Universidade de Tóquio e Universidade do Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U TN), Christian Batista (U TN e ORNL) e Mark Dean (Brookhaven Lab). Crédito: Várias fontes, incluindo *DESY, Marta Meyer

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 associados a “buracos”, que são vacâncias deixadas 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 fortes o suficiente para superar a força repulsiva entre as duas partículas semelhantes. No caso de interações elétron-buraco, a atração deve ser forte o suficiente para superar o “gap de energia” no material, característica de um isolante.

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“Um isolante é o oposto de um metal; é um material que não conduz eletricidade”, disse Dean. “Os elétrons no material geralmente permanecem em um estado de baixa energia ou “terra”. no lugar, como pessoas em um anfiteatro cheio; Ele disse. Para fazer os elétrons se moverem, você precisa dar a eles um impulso de energia grande o suficiente para superar a 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 energético dos elétrons saltando através do buraco de energia.

Agora, graças a tecnologias avançadas, os físicos podem explorar essas condições especiais para ver como pode aparecer o estado do isolante axitônico antiferromagnético.

Uma equipe colaborativa trabalhou usando um material chamado óxido de estrôncio irídio (Sr.).3Infravermelho2uma7), que dificilmente é um isolante em alta temperatura. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Laboratório de Brookhaven), Gilberto Fabrice (Laboratório Nacional de Argonne) e Jennifer Sears (Laboratório de Brookhaven) usaram raios-X na Fonte Avançada de Fótons – uma instalação de usuário do Escritório de Ciências do Departamento de Energia do Laboratório Nacional de Argonne —para medir interações magnéticas e custos de energia associados a elétrons em movimento. Jian Liu e Johnny Yang da Universidade do Tennessee e os estudiosos de Argonne Mary Upton e Diego Casa também fizeram contribuições importantes.

A equipe iniciou suas investigações em alta temperatura e gradualmente resfriou o material. Com o resfriamento, a diferença de energia diminuiu gradualmente. a 285 K (cerca de 53 graus[{” attribute=””>Fahrenheit), electrons started jumping between the magnetic layers of the material but immediately formed bound pairs with the holes they’d left behind, simultaneously triggering the antiferromagnetic alignment of adjacent electron spins. Hidemaro Suwa and Christian Batista of the University of Tennessee performed calculations to develop a model using the concept of the predicted antiferromagnetic excitonic insulator, and showed that this model comprehensively explains the experimental results.

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“Using x-rays we observed that the binding triggered by the attraction between electrons and holes actually gives back more energy than when the electron jumped over the band gap,” explained Yao Shen. “Because energy is saved by this process, all the electrons want to do this. Then, after all electrons have accomplished the transition, the material looks different from the high-temperature state in terms of the overall arrangement of electrons and spins. The new configuration involves the electron spins being ordered in an antiferromagnetic pattern while the bound pairs create a ‘locked-in’ insulating state.”

The identification of the antiferromagnetic excitonic insulator completes a long journey exploring the fascinating ways electrons choose to arrange themselves in materials. In the future, understanding the connections between spin and charge in such materials could have potential for realizing new technologies.

Brookhaven Lab’s role in this research was funded by the DOE Office of Science, with collaborators receiving funding from a range of additional sources noted in the paper. The scientists also used computational resources of the Oak Ridge Leadership Computing Facility, a DOE Office of Science user facility at Oak Ridge National Laboratory.

Reference: “Antiferromagnetic Excitonic Insulator State in Sr3Ir2O7” by D. G. Mazzone, Y. Shen, H. Suwa, G. Fabbris, J. Yang, S.-S. Zhang, H. Miao, J. Sears, Ke Jia, Y. G. Shi, M. H. Upton, D. M. Casa, X. Liu, Jian Liu, C. D. Batista and M. P. M. Dean, 17 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28207-w