Tecnologia Científica

Cientistas descobrem cristal exibindo magnetismo espiral exa³tico
As descobertas, que aparecem na Nature Materials , revelam uma relação complexa entre o material, os elanãtrons fluindo atravanãs dele como corrente e o magnetismo que o material exibe.
Por nstituto Nacional de Padrões e Tecnologia - 19/08/2021


Este cristal “semimetal” consiste em células unita¡rias repetidas, como a da esquerda, que tem um topo quadrado e lados retangulares. As esferas representam sila­cio (violeta), aluma­nio (turquesa) e - no ouro - a¡tomos de neoda­mio (Nd), os últimos dos quais são magnanãticos. Compreender as propriedades magnanãticas especiais do material requer nove dessas células unita¡rias, mostradas como o bloco maior a  direita (que tem uma única canãlula unita¡ria delineada em vermelho). Este bloco 3x3 mostra elanãtrons verdes “Weyl” viajando diagonalmente pelo topo das células e afetando a orientação do spin magnético dos a¡tomos de Nd. Uma propriedade especial do elanãtron de Weyl éo travamento de sua direção de spin, que aponta paralela ou antiparalela a  direção de seu movimento, conforme representado pelas pequenas setas nos elanãtrons de Weyl. Amedida que esses elanãtrons viajam ao longo dos quatro a¡tomos de ouro Nd, os giros Nd se reorientam em uma "espiral de spin" que pode ser imaginada como apontando sucessivamente na direção das 12 horas (mais pra³ximo do visualizador com a seta vermelha apontando para cima), 4 o ' rela³gio (seta azul), 8 horas (também em azul) e novamente 12 horas (mais distante do visor e novamente em vermelho). Linhas de a¡tomos de Nd se estendem por muitas camadas do cristal, oferecendo muitos exemplos desse padrãomagnético incomum. Crédito: N. Hanacek / NIST Linhas de a¡tomos de Nd se estendem por muitas camadas do cristal, oferecendo muitos exemplos desse padrãomagnético incomum. Crédito: N. Hanacek / NIST Linhas de a¡tomos de Nd se estendem por muitas camadas do cristal, oferecendo muitos exemplos desse padrãomagnético incomum. Crédito: N. Hanacek / NIST

Uma forma exa³tica de magnetismo foi descoberta e associada a um tipo igualmente exa³tico de elanãtrons, de acordo com cientistas que analisaram um novo cristal no qual eles aparecem no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). O magnetismo écriado e protegido pela estrutura eletra´nica exclusiva do cristal, oferecendo um mecanismo que pode ser explorado para dispositivos de armazenamento de informações rápidos e robustos.

O material recanãm-inventado tem uma estrutura incomum que conduz eletricidade, mas faz com que os elanãtrons fluentes se comportem comopartículas sem massa, cujo magnetismo estãoligado a  direção de seu movimento. Em outros materiais, esses elanãtrons de Weyl eliciaram novos comportamentos relacionados a  condutividade elanãtrica. Nesse caso, entretanto, os elanãtrons promovem a formação esponta¢nea de uma espiral magnanãtica. 

"Nossa pesquisa mostra um raro exemplo dessaspartículas impulsionando o magnetismo coletivo", disse Collin Broholm, fa­sico da Universidade Johns Hopkins que liderou o trabalho experimental no NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Nosso experimento ilustra uma forma única de magnetismo que pode surgir dos elanãtrons de Weyl."

As descobertas, que aparecem na Nature Materials , revelam uma relação complexa entre o material, os elanãtrons fluindo atravanãs dele como corrente e o magnetismo que o material exibe. 

Em um a­ma£ de geladeira, a s vezes imaginamos cada um de seus a¡tomos de ferro como tendo uma barra de a­ma£ perfurando-o com seu polo "norte" apontando em uma determinada direção. Esta imagem se refere a s orientações de spin dos a¡tomos, que se alinham em paralelo. O material que a equipe estudou édiferente. a‰ um "semimetal" feito de sila­cio e os metais aluma­nio e neoda­mio. Juntos, esses três elementos formam um cristal, o que implica que seus a¡tomos componentes estãodispostos em um padrãode repetição regular. No entanto, éum cristal que quebra a simetria de inversão, o que significa que o padrãode repetição édiferente em um lado das células unita¡rias de um cristal - o menor bloco de construção de uma rede de cristal - do outro. Este arranjo estabiliza os elanãtrons que fluem atravanãs do cristal, 

A estabilidade dos elanãtrons se mostra como uma uniformidade na direção de seus spins. Na maioria dos materiais que conduzem eletricidade, como o fio de cobre , os elanãtrons que fluem atravanãs do fio tem giros que apontam em direções aleata³rias. Nãoéassim no semimetal, cuja simetria quebrada transforma os elanãtrons que fluem em elanãtrons de Weyl cujos spins são orientados na direção em que o elanãtron viaja ou na direção exatamente oposta. a‰ esse bloqueio dos spins dos elanãtrons de Weyl em sua direção de movimento - seu momento - que causa o raro comportamento magnético do semimetal.
 
Todos os três tipos de a¡tomos do material conduzem eletricidade, fornecendo degraus para os elanãtrons enquanto eles saltam de a¡tomo em a¡tomo. No entanto, apenas os a¡tomos de neoda­mio (Nd) exibem magnetismo. Eles são suscetíveis a  influaªncia dos elanãtrons de Weyl, que empurram os spins do a¡tomo de Nd de uma forma curiosa. Olhe ao longo de qualquer fileira de a¡tomos de Nd que se estenda diagonalmente atravanãs do semimetal e vera¡ o que a equipe de pesquisa chama de "espiral de spin". 

"Uma maneira simplificada de imaginar éque o spin do primeiro a¡tomo de Nd aponta para 12 horas, depois o pra³ximo para as 4 horas e o terceiro para as 8 horas", disse Broholm. "Então o padrãose repete. Essa bela 'textura' de spin éimpulsionada pelos elanãtrons de Weyl conforme eles visitam os a¡tomos Nd vizinhos."

Foi necessa¡ria uma colaboração entre muitos grupos do Institute for Quantum Matter da Johns Hopkins University para revelar o magnetismo especial que surge no cristal. Incluiu grupos que trabalham com sa­ntese de cristais, ca¡lculos numanãricos sofisticados e experimentos de espalhamento de naªutrons. 

"Para o espalhamento de naªutrons, nosnos beneficiamos muito da extensa quantidade de tempo do feixe de difração de naªutrons que estava dispona­vel para nosno NIST Center for Neutron Research", disse Jonathan Gaudet, um dos coautores do artigo. "Sem o tempo do feixe, tera­amos perdido essa bela nova física."

Cada volta da espiral de spin tem cerca de 150 nana´metros de comprimento, e as espirais são aparecem em temperaturas frias abaixo de 7 K. Broholm disse que hámateriais com propriedades físicas semelhantes que funcionam a  temperatura ambiente e que podem ser aproveitados para criar um sistema magnético eficiente dispositivos de memória.

"A tecnologia de memória magnanãtica, como os discos ra­gidos, geralmente requer a criação de um campo magnético para que funcionem", disse ele. "Com essa classe de materiais, vocêpode armazenar informações sem a necessidade de aplicar ou detectar um campo magnanãtico. Ler e gravar as informações eletricamente émais rápido e robusto." 

Compreender os efeitos que os elanãtrons de Weyl impulsionam também pode lana§ar luz sobre outros materiais que trouxeram consternação aos fa­sicos. 

"Fundamentalmente, podemos ser capazes de criar uma variedade de materiais com diferentes caracteri­sticas de rotação interna - e talvez já tenhamos feito", disse Broholm. "Como uma comunidade, criamos muitas estruturas magnanãticas que não compreendemos imediatamente. Tendo visto o cara¡ter especial do magnetismo mediado por Weyl, podemos finalmente ser capazes de compreender e usar tais estruturas magnanãticas exa³ticas." 

 

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