Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu e Satoru Nakatsuji da Universidade de Tóquio, juntamente com Collin Broholm da Universidade Johns Hopkins, descobriu o efeito Hall anômalo em um antiferromagneto colinear.

Mais impressionante ainda, o efeito Hall anômalo emerge de um estado líquido não Fermi, no qual os elétrons não interagem de acordo com os modelos convencionais. A descoberta não apenas desafia a estrutura clássica para a interpretação do efeito Hall anômalo, como também amplia a gama de antiferromagnetos úteis para tecnologias da informação.

As descobertas foram publicadas na revista Nature Communications .

Spins são propriedades intrínsecas dos elétrons, tipicamente descritas como sendo "para cima" ou "para baixo". Em ferromagnetos, os spins se alinham na mesma direção, magnetizando o material. Essa magnetização pode levar a uma voltagem perpendicular à corrente elétrica, mesmo sem um campo magnético externo ; este é o efeito Hall anômalo.

Em contraste, os antiferromagnetos apresentam spins alinhados em direções opostas, anulando efetivamente a magnetização. Portanto, conclui-se que o efeito Hall anômalo não surge em antiferromagnetos. No entanto, surge.

"Houve relatos anteriores sobre o efeito Hall anômalo aparecendo em uma certa classe de antiferromagnetos colineares", diz Nakatsuji, o pesquisador principal.

No entanto, os sinais observados eram extremamente fracos. Identificar um efeito Hall anômalo verdadeiramente livre de magnetização era de amplo interesse científico e tecnológico.

Essa iniciativa exigiu coordenação entre vários grupos. Fu e seus colegas foram responsáveis pela configuração experimental para medir o efeito. Eles utilizaram uma família de materiais chamada dichalcogeneto de metal de transição (TMD) como blocos de construção bidimensionais (2D).

Ao inserir íons magnéticos entre as camadas atômicas , os pesquisadores conseguiram controlar os movimentos e as interações dos elétrons. A estrutura modificada, agora em 3D, tinha o potencial de exibir novos comportamentos que não seriam possíveis apenas em 2D.

Os pesquisadores conseguiram realizar medições do efeito Hall anômalo em uma ampla faixa de temperaturas e campos magnéticos. Além disso, o grupo de Broholm forneceu evidências microscópicas que confirmam a estrutura antiferromagnética colinear do material. Os resultados foram então combinados com a análise teórica e os cálculos realizados pelo grupo de Ryotaro Arita na Universidade de Tecnologia de Tóquio.

"Um dos principais desafios do nosso projeto de pesquisa foi construir uma narrativa científica coerente a partir das nossas observações", afirma Fu, um dos autores do artigo. "Cada etapa exigiu uma interpretação cuidadosa, especialmente devido à desordem estrutural comumente encontrada em sistemas de dicalcogenetos de metais de transição (TMD)."

A medição resultante é a primeira evidência experimental sólida do efeito Hall anômalo observado em antiferromagnetos colineares. Como se acredita comumente que o efeito Hall anômalo esteja associado à magnetização, a detecção sugere que algo muito além do entendimento padrão está em jogo.

Os pesquisadores suspeitam que o fenômeno esteja enraizado na estrutura única das bandas de elétrons do material, causando um grande "campo magnético virtual" e intensificando o efeito Hall anômalo na ausência de magnetização. Nakatsuji explica os próximos passos.

"Estamos buscando confirmação experimental para essa hipótese e realizando ativamente uma série de estudos de acompanhamento usando técnicas complementares, incluindo espectroscopia Raman, para descobrir os mecanismos subjacentes."