Estranho novo tipo de magnetismo encontrado à espreita em material com apenas seis átomos de espessura: WebCuriosos

Há mais de meio século, o físico japonês Yosuke Nagaoka teorizou uma maneira um campo magnético poderia se expandir a partir de elétrons sinuosos que buscavam incansavelmente um lugar para descansar que fosse radicalmente diferente dos modelos convencionais de ferromagnetismo.

Um fenômeno recentemente observado em uma pilha de semicondutores alternados poderia ser explicado pelas especulações de Nagaoka, ao mesmo tempo que trazia algumas surpresas imprevistas.

Numa experiência liderada por investigadores do ETH Zürich, na Suíça, grelhas atomicamente finas de dois materiais sintéticos diferentes foram sobrepostas como páginas do livro mais fino do mundo para criar um efeito de repetição conhecido como padrão moiré.

“Esses materiais moiré têm atraído grande interesse nos últimos anos, pois podem ser muito bem usados ​​para investigar os efeitos quânticos de elétrons em forte interação,” explica estude o autor sênior e físico Ataç İmamoğlu.

“No entanto, até agora muito pouco se sabia sobre as suas propriedades magnéticas.”

O magnetismo é o esforço de equipe de numerosos elétrons que se organizam sob um contrato quântico ditado por uma propriedade chamada spin.

Ao contrário da rotação de uma bola, o spin de um elétron é uma característica binária. Nunca é rápido ou lento, apenas para cima ou para baixo. Ou, se você os imaginar como pequenos ímãs, ao norte ou ao sul.

Organize um número suficiente desses minúsculos ímãs para que seus giros se alinhem; seu comportamento coletivo permitirá que algo como um pedaço de ferro comum cole o desenho de um narciso sorridente de sua sobrinha na porta da geladeira.

Esse acordo sobre qual caminho de alinhamento é cortesia de uma interação entre elétrons sentados calmamente nos assentos da última fila de seus átomos. A lei quântica determina que os elétrons com o mesmo spin realmente devem ficar distantes uns dos outros, o que, nas circunstâncias certas, cria um padrão que amplia seu magnetismo.

Na década de 1960, Nagaoka percebeu que um tipo semelhante de arranjo poderia formar-se através de um acordo completamente diferente, determinado não por trocas baseadas nos spins dos elétrons, mas pelo seu desejo de viajar.

Ele imaginou uma grade, não muito diferente de uma paisagem urbana povoada por elétrons sentados nas esquinas como artistas de rua ansiosos. Deixe apenas um canto vazio, ele percebeu, e os elétrons se moveriam, ansiosos para encontrar um espaço o mais longe possível dos outros artistas quânticos. Cada salto deixaria uma nova vaga, provocando um ‘buraco’ para pular de rua em rua.

Guiado por este efeito cinético das esquinas vazias, o mesmo efeito de rotação em grande escala pode surgir, gerando um campo magnético mais exagerado.

É um efeito que desde então foi visto entre um pequeno punhado de elétrons. No entanto, até agora, ninguém tinha observado o magnetismo “cinético” de Nagaoka emergindo em massa num material.

“Até agora, tais mecanismos de magnetismo cinético só foram detectados em sistemas modelo, por exemplo, em quatro pontos quânticos acoplados, mas nunca em sistemas de estado sólido estendidos como o que usamos,” diz Imamoglu.

Esse sistema compreendia seis camadas de dois semicondutores diferentes: disseleneto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio. Semelhante às grades de Nagaoka, cada uma poderia ser empilhada uma sobre a outra de uma forma que criasse 'cantos de rua' a partir do efeito moiré dos espaços entre as camadas.

Depois que as camadas finas foram resfriadas para remover o máximo possível de oscilações térmicas, uma voltagem foi aplicada para enviar um filete de elétrons.

Com certeza, cada artista de rua encontrou uma esquina para lançar sua marca especial de spin. No entanto, ao contrário do que Nagaoka imaginou, o magnetismo só apareceu quando houve um excedente significativo de elétrons.

Em vez de ser atraído para uma harmonia magnética pela promessa de espaços vazios, foi a competição por um lugar harmonioso para tocar que gerou atos duplos de curta duração, conhecidos como duplicatas.

Um número suficiente dessas parcerias piscando fez com que o material se tornasse magnético de uma forma que os físicos nunca tinham visto antes.

Embora seja pouco provável que o processo conduza a qualquer nova tecnologia (ou formas de guardar desenhos de narcisos nos frigoríficos) tão cedo, dá aos investigadores insights sobre comportamentos que poderão informar a electrónica do futuro.

Esta pesquisa foi publicada em Natureza.