Uma equipe de físicos norte-americanos e coreanos encontrou a primeira evidência de um material bidimensional que pode se tornar um isolante topológico magnético, mesmo quando não é colocado em um campo magnético.

"Muitas propriedades quânticas e relativísticas diferentes de elétrons em movimento são conhecidas no grafeno, e as pessoas se interessaram, 'Podemos ver isso em materiais magnéticos com estruturas semelhantes?' ", Disse Pengcheng Dai, da Rice University, coautor de estudo sobre o material publicado na revista American Physical Society. PRX . Dai, cuja equipe incluía cientistas de Rice, Universidade da Coreia, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, disse que o triiodeto de cromo (CrI ₃ ) usado no novo estudo "é exatamente como o favo de mel do grafeno, mas é um favo de mel magnético. "

Em experimentos na Fonte de Nêutrons de Espalação de ORNL, CrI ₃ as amostras foram bombardeadas com nêutrons. Uma análise espectroscópica feita durante os testes revelou a presença de excitações coletivas de spin chamadas magnons. Rodar, uma característica intrínseca de todos os objetos quânticos, é um jogador central no magnetismo, e os magnons representam um tipo específico de comportamento coletivo dos elétrons nos átomos de cromo.

"A estrutura deste magnon, como a onda magnética se move neste material, é bastante semelhante a como as ondas de elétrons se movem no grafeno, "disse Dai, professor de física e astronomia e membro do Centro de Materiais Quânticos de Rice (RCQM).

Tanto o grafeno quanto o CrI3 contêm pontos de Dirac, que só existem nas estruturas de banda eletrônica de alguns materiais bidimensionais. Nomeado em homenagem a Paul Dirac, que ajudou a reconciliar a mecânica quântica com a relatividade geral na década de 1920, Os pontos de Dirac são características onde os elétrons se movem a velocidades relativísticas e se comportam como se tivessem massa zero. O trabalho de Dirac desempenhou um papel crítico na compreensão dos físicos do spin e do comportamento do elétron em isoladores topológicos 2-D, materiais bizarros que atraíram o Prêmio Nobel de Física de 2016.

Os elétrons não podem fluir através de isoladores topológicos, mas pode contornar suas bordas unidimensionais em autoestradas "modo de borda". Os materiais extraem seu nome de um ramo da matemática conhecido como topologia, que o Nobel de 2016 Duncan Haldane usou para explicar a condução de modo de borda em um artigo seminal de 1988 que apresentava um modelo de favo de mel 2-D com uma estrutura notavelmente semelhante ao grafeno e CrI ₃ .

"O ponto de Dirac é onde os elétrons se movem como os fótons, com massa efetiva zero, e se eles se moverem ao longo das bordas topológicas, não haverá resistência, "disse o co-autor do estudo Jae-Ho Chung, um professor visitante na Rice e professor de física na Universidade da Coreia em Seul, Coreia do Sul. "Esse é o ponto importante para aplicações spintrônicas sem dissipação."

Spintrônica é um movimento crescente dentro da comunidade de eletrônicos de estado sólido para criar tecnologias baseadas em spin para computação, comunicar e armazenamento de informações e muito mais. Isoladores topológicos com estados de borda magnon teriam uma vantagem sobre aqueles com estados de borda eletrônicos porque as versões magnéticas não produziriam calor, Disse Chung.

Estritamente falando, magnons não são partículas, mas quasipartículas, excitações coletivas que surgem do comportamento de uma série de outras partículas. Uma analogia seria "a onda" que as multidões às vezes executam em estádios esportivos. Olhando para um único fã, alguém simplesmente veria uma pessoa de pé periodicamente, levantando os braços e sentando-se novamente. Só olhando para toda a multidão pode-se ver "a onda".

"Se você olhar para apenas um spin de elétron, vai parecer que está vibrando aleatoriamente, "Chung disse." Mas de acordo com os princípios da física do estado sólido, esta oscilação aparentemente aleatória é composta de ondas exatas, ondas bem definidas. E não importa quantas ondas você tem, apenas uma onda particular se comportará como um fóton. Isso é o que está acontecendo em torno do chamado ponto de Dirac. Todo o resto é apenas uma onda de spin simples. Somente em torno deste ponto de Dirac o magnon se comportará como um fóton. "

Dai disse que a evidência de excitações de spin topológicas no CrI ₃ é particularmente intrigante porque é a primeira vez que tal evidência foi vista sem a aplicação de um campo magnético externo.

"Houve um artigo no passado em que algo semelhante foi observado pela aplicação de um campo magnético, mas a nossa foi a primeira observação em campo zero, ", disse ele." Acreditamos que isso seja porque o material tem um campo magnético interno que permite que isso aconteça. "

Dai e Chung disseram que o campo magnético interno surge de elétrons que se movem a velocidades próximas da relativística em estreita proximidade com os prótons nos núcleos dos átomos de cromo e iodo.

"Esses elétrons estão se movendo, mas devido à relatividade, em seu quadro de referência, eles não sentem que estão se movendo, "Dai disse." Eles estão apenas parados ali, e seus arredores estão se movendo muito rápido. "

Chung disse, "Este movimento realmente sente as cargas positivas circundantes como uma corrente movendo-se em torno dele, e essa, acoplado ao spin do elétron, cria o campo magnético. "

Dai disse que os testes no ORNL envolveram o resfriamento do CrI ₃ amostras abaixo de 60 Kelvin e bombardeá-los com nêutrons, que também têm momentos magnéticos. Nêutrons que passaram perto o suficiente de um elétron na amostra poderiam então excitar excitações de ondas de spin que poderiam ser lidas com um espectrômetro.

"Medimos como a onda de spin se propaga, "disse ele." Essencialmente, quando você torce este giro, quanto os outros spins respondem. "

Para garantir que os nêutrons interagiriam em número suficiente com as amostras, Lebing Chen, estudante de pós-graduação e principal autor do estudo de Rice, passou três meses aperfeiçoando uma receita para a produção de folhas planas de CrI ₃ em um forno de alta temperatura. O tempo de cozimento para cada amostra foi de cerca de 10 dias, e controlar as variações de temperatura dentro do forno provou ser crítico. Depois que a receita foi aperfeiçoada, Chen então teve que empilhar meticulosamente, alinhe e cole 40 camadas do material. Porque os hexágonos em cada camada tiveram que ser precisamente alinhados, e o alinhamento só poderia ser confirmado com difração de raios-X de Laue, cada pequeno ajuste pode levar uma hora ou mais.

"Não provamos que o transporte topológico existe, "Dai disse." Em virtude de termos os espectros que temos, agora podemos dizer que é possível ter esse modo de borda, mas não mostramos que existe um modo de borda. "

Os pesquisadores disseram que experimentos de transporte de magnon serão necessários para provar que o modo de ponta existe, e eles esperam que suas descobertas encorajem outros grupos a tentar esses experimentos.