O estado semimetal de Weyl é induzido quando os movimentos opostos dos elétrons fazem com que os cones de Dirac se dividam em dois (ilustrado à esquerda por elétrons voltados para fora, oposto aos elétrons voltados para dentro à direita). O estado anormal permite maior fluxo elétrico com resistência mínima. Crédito:ORNL / Jill Hemman
A observação de um estado anormal da matéria em um material magnético bidimensional é o mais recente desenvolvimento na corrida para aproveitar novas propriedades eletrônicas para dispositivos de próxima geração mais robustos e eficientes.
O espalhamento de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) ajudou uma equipe multi-institucional liderada pela Tulane University a investigar um material de estrôncio-manganês-antimônio semelhante ao grafeno (Sr 1 ano Mn 1-z Sb 2 ) que hospeda o que os pesquisadores suspeitam ser uma fase semimetal de Weyl.
As propriedades dos semimetais de Weyl incluem magnetismo e comportamento semimetal topológico, em que os elétrons - ou portadores de carga - são quase sem massa e imunes a defeitos de condução. Os resultados da equipe foram publicados no jornal Materiais da Natureza .
As medições de espalhamento de nêutrons no reator isotópico de alto fluxo, um DOE Office of Science User Facility em ORNL, e estudos de campo magnético no National High Magnetic Field Laboratory da Florida State University revelaram os principais comportamentos mecanicistas que sustentam a relação do material quântico entre o transporte de elétrons e o magnetismo.
"Os semimetais de Weyl são uma espécie de Santo Graal na física agora, "disse Alan Tennant, cientista-chefe do Diretório de Ciências Neutron do ORNL. "Alguns desses tipos de materiais estão apresentando comportamento quântico em temperatura ambiente, que é precisamente o que deve ser alcançado para fornecer um caminho em direção à eletrônica quântica. "
Significativamente mais forte que o aço, e um excelente condutor de calor e eletricidade, o grafeno é um material de construção altamente desejável para a eletrônica. Contudo, carece das propriedades magnéticas tradicionais necessárias para obter maior controle sobre o transporte de elétrons. É por isso que os pesquisadores estão procurando por semimetais de Weyl, disse Qiang Zhang, um cientista visitante da Louisiana State University (LSU) que trabalha no Centro Shull Wollan do ORNL - um Instituto Conjunto para Ciências de Nêutrons.
"Semimetais Weyl são raros, e a maioria deles são não magnéticos. Encontramos um que é magnético, "Disse Zhang." Se pudermos entender melhor os comportamentos eletrônicos que encontramos neste material, pode acelerar significativamente as tecnologias de computadores e smartphones. "
Os elétrons no grafeno têm uma propriedade famosa:eles formam um "cone de Dirac", em que seu momento e energia estão relacionados da mesma maneira que acontece na luz.
Ao contrário do grafeno, o material da equipe exibe magnetismo tradicional, ou ferromagnetismo, o que significa que os elétrons se alinham em um arranjo paralelo como os pólos norte e sul de uma barra magnética típica. Mas também exibe antiferromagnetismo, em que os elétrons apontam em direções opostas aos elétrons vizinhos.
O magnetismo tem um efeito profundo, Tennant explica. Os movimentos opostos dos elétrons fazem com que o cone de Dirac se rasgue ou se divida em dois, de modo que dois novos cones são formados. Isso quebra um princípio conhecido como simetria de reversão de tempo, o que significa que o sistema não seria o mesmo se o tempo fosse retrocedido. "Pense em um pião girando ao contrário, " ele diz.
Quando os dois cones quebram a simetria da reversão do tempo, eles induzem um estado semimetal de Weyl no qual os elétrons perdem massa.
O significado é que os elétrons, como muitas partículas, tem massa. Por causa disso, além de tamanhos cada vez menores de transistores e materiais de transporte de carga semelhantes, os elétrons têm uma tendência a causar gargalos, ou criar engarrafamentos. Em semimetais Weyl, os elétrons são mais como portadores de carga que se comportam como se fossem quase sem massa, o que os torna altamente móveis.
Examinando um pequeno, cristal de alta qualidade cultivado na Tulane University, a equipe foi capaz de determinar a estrutura magnética de Sr1-yMn1-zSb2, usando nêutrons no instrumento difratômetro de quatro círculos no reator isotópico de alto fluxo.
Os nêutrons são ferramentas ideais para identificar e caracterizar o magnetismo em quase qualquer material, porque eles, como elétrons, exibem um fluxo de magnetismo denominado "spin".
"Descobrimos dois tipos de ordens ferromagnéticas e encontramos a prova experimental da quebra de simetria de reversão do tempo, provavelmente criando um estado Weyl em Sr1-yMn1-zSb2. Isso torna este sistema um excelente candidato para estudar o efeito da quebra de simetria de reversão do tempo na estrutura de banda eletrônica, "disse Zhang.
