Pesquisadores do Departamento de Teoria do MPSD em Hamburgo e da Universidade Estadual da Carolina do Norte nos Estados Unidos demonstraram que o tão procurado estado semimetálico de Weyl magnético pode ser induzido por pulsos de laser ultrarrápidos em uma classe tridimensional de materiais magnéticos chamados de iridatos de pirocloro . Seus resultados, que foram publicados em Nature Communications , poderia habilitar dispositivos de comutação topológicos magneto-ópticos de alta velocidade para eletrônicos de última geração.

Todas as partículas elementares conhecidas podem ser classificadas em duas categorias:bósons e férmions. Os bósons carregam forças como a força magnética ou gravidade, enquanto os férmions são as partículas de matéria, como elétrons. Teoricamente, foi previsto que os próprios férmions podem vir em três espécies, nomeado após os físicos Dirac, Weyl e Majorana.

Elétrons no espaço livre são férmions de Dirac, mas em sólidos, eles podem mudar sua natureza. No grafeno, material de carbono atomicamente fino, eles se tornam férmions Dirac sem massa. Em outros materiais recentemente descobertos e fabricados, eles também podem se tornar férmions Weyl e Majorana, o que torna esses materiais interessantes para tecnologias futuras, como computadores quânticos topológicos e outros novos dispositivos eletrônicos.

Em combinação com uma onda de bósons, ou seja, fótons em um laser, férmions podem ser transformados de um tipo para outro, conforme proposto pelos teóricos do MPSD em 2016. Agora, um novo estudo liderado por Ph.D. o aluno Gabriel Topp do grupo Emmy Noether de Michael Sentef sugere que os spins do elétron podem ser manipulados por pulsos de luz curtos para criar uma versão magnética dos férmions de Weyl a partir de um isolador magnético. Com base em um estudo anterior conduzido pelo pesquisador de pós-doutorado do MPSD Nicolas Tancogne-Déjean e pelo Diretor de Teoria Angel Rubio, os cientistas usaram a ideia da repulsão elétron-elétron controlada por laser para suprimir o magnetismo em um material pirocloro iridato onde os spins do elétron são posicionados em uma rede de tetraedros.

Nesta rede, spins de elétrons, como pequenas agulhas de bússola, aponte all-in para o centro do tetraedro e all-out no vizinho. Este all-in, combinação total, junto com o comprimento das agulhas da bússola, leva a um comportamento de isolamento no material sem estimulação de luz. Contudo, simulações de computador modernas em grandes clusters de computação revelaram que quando um curto pulso de luz atinge o material, as agulhas começam a girar de tal forma que, na média, parecem agulhas mais curtas com ordenação magnética menos forte. Feito da maneira certa, esta redução do magnetismo faz com que o material se torne semimetálico com os férmions de Weyl emergindo como os novos portadores de eletricidade nele.

"Este é um passo muito bom em aprender como a luz pode manipular materiais em escalas de tempo ultracurtas, "diz Michael Sentef. Gabriel Topp diz, "Ficamos surpresos com o fato de que mesmo um pulso de laser muito forte que deveria levar a uma supressão completa do magnetismo e um metal padrão sem fermions de Weyl poderia levar a um estado de Weyl. Isso ocorre porque em escalas de tempo muito curtas, o material não tem tempo suficiente para encontrar um equilíbrio térmico. Quando tudo está balançando para frente e para trás, leva algum tempo até que a energia extra do pulso de laser seja distribuída uniformemente entre todas as partículas do material. "

Os cientistas estão otimistas de que seu trabalho estimulará mais trabalhos teóricos e experimentais ao longo dessas linhas. "Estamos apenas começando a aprender a compreender as muitas maneiras bonitas em que a luz e a matéria podem se combinar para produzir efeitos fantásticos e nem mesmo sabemos o que podem ser hoje, "diz Angel Rubio." Estamos trabalhando muito com um grupo dedicado e altamente motivado de jovens cientistas talentosos no MPSD para explorar essas possibilidades quase ilimitadas para que a sociedade se beneficie de nossas descobertas. "