Descobrindo uma nova física fundamental – Experimentos comprovam a existência de um novo tipo de magnetismo

Experimentos em uma fonte de luz suíça SLS Prove a existência de um novo tipo de magnetismo, com amplas implicações para a tecnologia e a pesquisa.

Há agora uma nova adição à família magnética: graças a experiências realizadas na Swiss Light Source SLS, os investigadores provaram a existência de magnetismo alternativo. A descoberta experimental deste novo ramo do magnetismo foi relatada em natureza Significa uma nova física fundamental, com grandes implicações para a spintrônica.

O magnetismo é muito mais do que apenas coisas que grudam na geladeira. Essa compreensão veio com a descoberta dos antiímãs há quase um século. Desde então, a família dos materiais magnéticos foi dividida em dois estágios básicos: o ramo ferromagnético conhecido há milhares de anos e o ramo antimagnético. Evidências experimentais para um terceiro ramo do magnetismo, chamado magnetismo alternativo, foram fornecidas pela Swiss Light Source (SLS), através de uma colaboração internacional liderada pela Academia Checa de Ciências com o Instituto Paul Scherrer (PSI).

As fases magnéticas fundamentais são determinadas por arranjos espontâneos específicos dos momentos magnéticos – ou spins dos elétrons – e dos átomos que transportam os momentos nos cristais. Ferroímãs são o tipo de ímã que gruda na geladeira: aqui os giros apontam na mesma direção, proporcionando magnetismo microscópico. Nos materiais antiferromagnéticos, os spins apontam em direções alternadas, fazendo com que o material não possua uma rede de magnetização macroscópica – e, portanto, não grude na geladeira. Embora outros tipos de magnetismo tenham sido classificados, como o magnetismo e o paramagnetismo, eles descrevem respostas específicas a campos magnéticos aplicados externamente, em vez de arranjos magnéticos espontâneos em materiais.

Descoberta e propriedades de ímãs substitutos

Os ímãs de substituição possuem uma combinação especial de arranjo de rotação e simetrias cristalinas. Os spins se alternam, como nos antiímãs, resultando em nenhuma magnetização líquida. No entanto, em vez de simplesmente anularem as simetrias, as simetrias proporcionam uma estrutura de banda eletrónica com forte polarização de spin que flutua na direção à medida que passa pelas bandas de energia do material – daí o nome ímanes substituintes. Isto resulta em propriedades muito úteis semelhantes às dos ferromagnetos, bem como em algumas propriedades completamente novas.

Implicações para Spintrônica

Este terceiro irmão magnético oferece vantagens distintas para o campo de desenvolvimento da próxima geração de tecnologia de memória magnética, conhecida como spintrônica. Embora a eletrônica use apenas a carga dos elétrons, a eletrônica de spin também explora o estado de spin dos elétrons para transmitir informações.

Embora a spintrônica venha prometendo há muitos anos revolucionar a tecnologia da informação, ela ainda está em sua infância. Normalmente, ferromagnetos têm sido usados ​​para tais dispositivos, porque oferecem alguns fenômenos físicos fortes dependentes de spin altamente desejáveis. No entanto, a magnetização macroscópica líquida que é útil em muitas outras aplicações impõe limitações práticas à escalabilidade destes dispositivos porque causa interferência entre os elementos que transportam informações de bits no armazenamento de dados.

Recentemente, antiímãs têm sido estudados para spintrônica, pois aproveitam a falta de magnetização da rede e, assim, proporcionam escalabilidade e eficiência energética superiores. No entanto, os fortes efeitos dependentes do spin que são tão úteis nos ferromagnetos estão ausentes, o que novamente dificulta a sua aplicabilidade prática.

Aqui entramos no campo dos ímãs alternativos que têm o melhor de ambos: magnetização líquida zero, além dos fortes fenômenos dependentes do spin normalmente encontrados em ferromagnetos – vantagens que foram consideradas incompatíveis em princípio.

“Esta é a magia dos ímanes alternativos”, afirma Thomas Jungwirth, do Instituto de Física da Academia Checa de Ciências, principal investigador do estudo. “Algo que as pessoas pensavam ser impossível até que previsões teóricas recentes fossem realmente possíveis.”

Previsões teóricas e verificação experimental

Os rumores sobre a existência de um novo tipo de magnetismo começaram não há muito tempo: em 2019, Jungwirth e colegas teóricos da Academia Checa de Ciências e da Universidade de Mainz identificaram uma classe de materiais magnéticos com uma estrutura de spin que não se enquadra nas descrições clássicas. . Ferromagnetismo ou antimagnetismo.

Em 2022, os teóricos publicaram as suas previsões para a existência de magnetismo alternativo. Eles descobriram mais de duzentos candidatos para magnetismo alternativo em materiais que vão desde isolantes até SemicondutoresPara metais e supercondutores. Muitos destes materiais eram bem conhecidos e extensivamente explorados no passado, sem que a sua natureza magnética alternativa fosse notada. Dadas as enormes oportunidades de investigação e aplicação apresentadas pelo magnetismo alternativo, estas previsões causaram grande entusiasmo na comunidade. A busca estava em andamento.

A obtenção de evidências experimentais diretas da existência de magnetismo alternativo requer a elucidação das propriedades únicas de simetria de spin esperadas em ímãs alternativos. A evidência veio usando espectroscopia de emissão óptica rotacional e angular no SIS (terminal do COPHEE) e nas linhas de luz ADRESS do SLS. Esta técnica permitiu à equipe visualizar uma característica clara na estrutura eletrônica de um suposto ímã alternativo: a divisão de bandas eletrônicas correspondentes a diferentes estados de spin, conhecida como elevação da degeneração do spin de Cramer.

A descoberta foi feita em cristais de telureto de manganês, uma conhecida substância simples de dois componentes. Tradicionalmente, o material tem sido considerado um ferromagneto clássico porque os momentos magnéticos nos átomos vizinhos de manganês apontam em direções opostas, gerando uma magnetização líquida evanescente.

No entanto, os antiímãs não devem apresentar alta degeneração do spin de Cramer na ordem magnética, enquanto os ferromagnetos ou ímãs substituintes deveriam. Quando os cientistas observaram um aumento no decaimento do spin de Cramer, acompanhado pelo desaparecimento da magnetização líquida, eles sabiam que estavam procurando um ímã alternativo.

“Graças à alta precisão e sensibilidade de nossas medições, fomos capazes de detectar a divisão alternada característica dos níveis de energia correspondentes a estados de spin opostos, provando assim que o telureto de manganês não é um antiferromagneto clássico nem um ferromagneto clássico, mas pertence ao novo ramo de magnetismo alternativo”, diz Juraj Krembaski, cientista de linhas de luz do grupo Beamline Optics Group da PSI e primeiro autor do estudo: “From Magnetic Materials”.

As linhas de luz que permitiram esta descoberta foram agora desmontadas, aguardando uma atualização do SLS 2.0. Após vinte anos de sucesso científico, a estação final do COPHEE será totalmente integrada na nova linha de luz “QUEST”. “Realizámos estas experiências com os últimos fotões de luz no COPHEE. Eles fizeram um avanço científico muito importante e é muito impressionante para nós”, acrescenta Krempaski.

Conclusão e direções futuras

Os investigadores acreditam que esta nova descoberta fundamental no magnetismo irá enriquecer a nossa compreensão da física da matéria condensada, ao mesmo tempo que terá impacto em diversas áreas de investigação e tecnologia. Além de suas vantagens no campo em desenvolvimento da spintrônica, eles também fornecem uma plataforma promissora para explorar a supercondutividade não convencional, através de novos insights sobre os estados supercondutores que podem surgir em diferentes materiais magnéticos.

“O magnetismo alternativo na verdade não é algo muito complicado. “É algo bastante fundamental que está diante dos nossos olhos há décadas sem que percebamos”, diz Jungwirth. “E não é algo que existe apenas em alguns materiais obscuros. É encontrado em muitos cristais que as pessoas guardavam nas gavetas. Neste sentido, agora que trouxemos esta ideia à luz, muito mais pessoas em todo o mundo poderão trabalhar nela, abrindo o potencial para um impacto generalizado.

Referência: “Levitação magnética do decaimento do spin de Cramer” 14 de fevereiro de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06907-7