p Pesquisadores da Brown University mostraram experimentalmente como uma forma única de magnetismo surge em uma estranha classe de materiais chamados isoladores de Mott. As descobertas são um passo em direção a uma melhor compreensão dos estados quânticos desses materiais, que gerou muito interesse entre os cientistas nos últimos anos. p O estudo, publicado em Nature Communications , ajuda a confirmar o novo trabalho teórico que tenta explicar como os elétrons se comportam nesses materiais estranhos. O trabalho foi feito em colaboração com cientistas da Universidade de Stanford e do National High Magnetic Field Laboratory.

p "Descobrimos que a teoria se sustenta bem, "disse Vesna Mitrović, um professor associado de física na Brown que liderou o trabalho. "Isso mostra que essa nova teoria, com base em modelos quânticos envolvendo complicadas interações de spin de elétrons, é um bom começo para entender o magnetismo em materiais que interagem fortemente. "

p Os isoladores Mott são materiais que deveriam ser condutores de acordo com as teorias tradicionais de condutividade elétrica, mas agem como isolantes, no entanto. O estado de isolamento surge porque os elétrons nesses materiais são fortemente correlacionados e se repelem. Essa dinâmica cria uma espécie de congestionamento de elétrons, impedir que as partículas fluam para formar uma corrente.

p Os cientistas têm esperança de encontrar maneiras de mover esses materiais para dentro e para fora do estado de isolamento de Mott, que seria útil no desenvolvimento de novos tipos de dispositivos funcionais. Também foi demonstrado que, ao introduzir impurezas em sua estrutura, alguns isoladores Mott tornam-se supercondutores de alta temperatura - materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência a temperaturas bem acima das normalmente exigidas para supercondutividade.

p Apesar da promessa desses materiais, os cientistas ainda não entendem totalmente como eles funcionam. Uma descrição completa dos estados do elétron nesses materiais tem sido evasiva. No nível mais fundamental, cada elétron individual é caracterizado por sua carga e spin, seu minúsculo momento magnético que aponta para cima ou para baixo. É difícil prever as propriedades do elétron em isoladores de Mott porque os estados dos elétrons estão intimamente correlacionados uns com os outros - o estado de um elétron influencia os estados de seus vizinhos.

p Para complicar ainda mais as coisas, muitos isoladores Mott exibem o que é conhecido como acoplamento spin-órbita, o que significa que o spin de cada elétron muda à medida que orbita um núcleo atômico. O acoplamento spin-órbita implica que o momento magnético do elétron é afetado por sua órbita em um núcleo atômico, e, portanto, o spin de um elétron não é bem definido. Assim, predizer propriedades desses materiais requer conhecimento das interações entre os elétrons, enquanto as propriedades fundamentais de cada elétron individual dependem de seu movimento orbital.

p "Quando você tem essas interações complexas mais o acoplamento de ordem de rotação, torna-se uma situação incrivelmente complicada de descrever teoricamente, "Mitrović disse." No entanto, precisamos dessa teoria quântica fundamental para ser capaz de prever novas propriedades quânticas de materiais complexos e aproveitá-los. "

p O estudo de Mitrović se concentrou em um tipo estranho de magnetismo que surge quando isoladores Mott com forte acoplamento spin-órbita são resfriados abaixo de uma temperatura crítica. O magnetismo surge como resultado de alinhamentos entre os spins dos elétrons. Mas neste caso, porque os spins estão interagindo fortemente e seus valores dependem do movimento orbital, não se entende como esse magnetismo surge nesses materiais.

p Houve uma importante tentativa teórica de mostrar o que poderia estar acontecendo nesses materiais no nível mais fundamental para trazer esse estado magnético. E isso é o que Mitrović e seus colegas queriam testar.

p Os colegas de Mitrović em Stanford começaram sintetizando e caracterizando termodinamicamente um material isolante de Mott feito de bário, sódio, ósmio e oxigênio, que Mitrović sondou usando ressonância magnética nuclear. A técnica específica que a equipe usou permitiu que eles reunissem informações sobre a distribuição de cargas eletrônicas no material e informações sobre o spin do elétron ao mesmo tempo.

p O trabalho mostrou que conforme o material é resfriado, mudanças na distribuição das cargas eletrônicas causam distorção nos orbitais atômicos e na rede do material. À medida que a temperatura esfria ainda mais, essa distorção impulsiona o magnetismo, causando um alinhamento de spins de elétrons dentro de camadas individuais da rede atômica.

p "Fomos capazes de determinar a natureza exata das distorções de carga orbitais que precedem o magnetismo, bem como o alinhamento exato dos giros neste exótico estado magnético. "Mitrović disse." Em uma camada você tem giros alinhados em uma direção, e, em seguida, nas camadas acima e abaixo dela, os spins são alinhados nas diferentes direções. Isso resulta em um magnetismo fraco em geral, apesar do forte magnetismo dentro de cada camada. "

p A teoria que Mitrović estava investigando previa exatamente esse magnetismo em camadas precedido por distorções de carga. Como tal, as descobertas ajudam a confirmar que a teoria está no caminho certo.

p O trabalho é um passo importante para compreender e manipular as propriedades desta classe interessante de materiais para aplicações do mundo real, Mitrović diz. Em particular, materiais com acoplamento de ordem de spin são promissores para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que consomem menos energia do que dispositivos comuns.

p “Se quisermos começar a usar esses materiais em dispositivos, precisamos entender como eles funcionam fundamentalmente, "Disse Mitrović." Dessa forma, podemos ajustar suas propriedades para o que queremos que eles façam. Ao validar alguns dos trabalhos teóricos sobre isoladores Mott com forte acoplamento spin-órbita, este trabalho é um passo importante para um melhor entendimento. "

p Em um sentido mais amplo, o trabalho é um passo em direção a uma teoria quântica do magnetismo mais abrangente.

p "Mesmo que o magnetismo seja o fenômeno quântico mais antigo conhecido, descoberto pelos antigos gregos, uma teoria quântica fundamental do magnetismo permanece indefinida, "Mitrović disse." Projetamos nosso trabalho para testar uma nova teoria que tenta explicar como o magnetismo surge em materiais exóticos. "