Uma ilustração da transição metamagnética gradual de um novo material quântico descoberto no laboratório da física de Rice Emilia Morosan. Crédito:Macy Stavinoha / Rice University
Há algo estranho na maioria das famílias, mas a física da Rice University Emilia Morosan descobriu um clã inteiro de compostos excêntricos que poderiam ajudar a explicar o misterioso funcionamento eletrônico e magnético de outros engenheiros de materiais quânticos que procuram computadores e eletrônicos da próxima geração.
Morosan e 30 co-autores descrevem o primeiro membro da família - uma "estrutura Kondo semimetálica" feita de itérbio, ródio e silício em uma proporção de 1 para 3 para 7 - em um estudo esta semana no jornal American Physical Society Revisão Física X ( PRX ) O artigo descreve duas propriedades de YbRh 3 Si 7 - Efeitos de "metamagnetismo" e "Kondo de baixa portadora" - que raramente foram medidos anteriormente no mesmo material.
Morosan, cujo laboratório é especializado em design, descoberta e síntese de materiais quânticos, criou a nova família de 1-3-7 com o apoio da Iniciativa de Fenômenos Emergentes em Sistemas Quânticos da Fundação Gordon e Betty Moore (EPiQS). Ela disse que poucos 1-3-7 foram descritos na literatura científica antes de sua pesquisa financiada por Moore. Dos vários compostos da família 1-3-7 descobertos por seu grupo, quatro são magnéticos, três são baseados em itérbio e "cada um é mais surpreendente que o anterior, " ela disse.
"Primeiro, isso nos dá a oportunidade de entender tudo isso, por si próprios, e então entendê-los em relação um ao outro, "disse Morosan, que foi nomeado Investigador de Síntese de Materiais da Moore Foundation EPiQS em 2014. "Por exemplo, as diferenças estruturais e químicas entre eles são muito pequenas. Os parâmetros de rede são quase idênticos. Seria de se esperar que as mudanças físicas fossem mínimas nesses compostos relacionados, mas estamos descobrindo propriedades magnéticas e de transporte dramaticamente diferentes. Se pudermos entender por que isso acontece nesta família, pode permitir-nos procurar compostos com as propriedades que desejamos. "
Em YbRh 3 Si 7 e todos os outros cristais, os átomos são organizados de maneira ordenada. Cada cristal tem seu próprio padrão estrutural característico, ou rede. Em cristais contendo elementos magnéticos como ferro ou itérbio, o arranjo ordenado dos átomos em uma rede freqüentemente anda de mãos dadas com a ordem magnética.
Por exemplo, cada elétron age como um pequeno ímã de barra giratória, com um pólo magnético positivo e negativo em cada extremidade de seu eixo de rotação. O momento magnético do elétron se refere à direção para a qual o eixo de rotação aponta, e em elementos como ferro e itérbio, em que cada um contém muitos elétrons, os átomos podem ter um forte momento magnético coletivo. Nos ferromagnetos - os materiais grudados em inúmeros refrigeradores e automóveis -, todos esses momentos magnéticos apontam para uma direção. Em antiferromagnetos, como YbRh 3 Si 7 , metade dos momentos aponta para uma direção e a outra metade aponta para a direção oposta.
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Para aqueles que estudam novos materiais magnéticos, como YbRh 3 Si 7 , uma maneira de sondar a ordem magnética é persuadir os momentos a apontar em outra direção em resposta a um campo magnético externo. Ao medir a quantidade de energia de campo necessária para mudar a direção que os momentos magnéticos apontam, os físicos podem aprender muito sobre o papel que a rede cristalina desempenha na forma como os momentos magnéticos se expressam.
Na maioria dos materiais, os momentos magnéticos dos átomos giram gradualmente em direção ao campo externo à medida que a intensidade aumenta. Em metaímãs, as forças do campo de cristal exercem tal atração que os momentos ficam travados no lugar, mesmo quando um campo externo é aplicado. Mas quando a energia do campo atinge um nível crítico, todos os momentos se encaixam instantaneamente em um novo arranjo que está mais alinhado ao campo. Se a intensidade do campo for aumentada o suficiente, os momentos podem ser feitos para se alinhar com o campo, mas "somente por meio dessa progressão de mudanças graduais que lembram a escada do diabo, "Morosan disse.
A descoberta das transições metamagnéticas foi a primeira pista de que algo estranho estava em ação na estrutura cristalográfica de YbRh 3 Si 7 .
"Existem poucos exemplos de metamagnetismo em compostos à base de itérbio, "disse o co-autor do estudo Macy Stavinoha, um estudante de graduação no grupo de Morosan. "Essa transição nos deu a dica de olhar para a estrutura magnética subjacente, o que era bastante complicado. Tivemos que usar uma variedade de técnicas para confirmar o que estava envolvido. "
A odisséia experimental de oito anos para decifrar a ordem magnética do material foi liderada pelo ex-Ph.D. estudante e coautor Binod Rai e incluiu viagens ao Oak Ridge National Laboratory do Tennessee, Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia de Maryland, o Laboratório Rutherford Appleton do Reino Unido, Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético da Flórida e Laboratório Nacional de Los Alamos do Novo México.
Morosan disse que os experimentos ajudaram sua equipe a decifrar a confusa competição de forças - estruturais, eletrônico e magnético - em jogo em YbRh 3 Si 7 .
"Não era nada simples, no sentido de que você poderia se sentar, observe os dados de um experimento e diga imediatamente o que está acontecendo, " ela disse.
Por exemplo, experimentos mostraram que as transições metamagnéticas em YbRh 3 Si 7 ocorreu em campos inferiores quando o campo magnético é aplicado perpendicularmente à direção do momento do campo zero. Isso contrasta com as transições metamagnéticas em quase todos os outros compostos à base de itérbio, que ocorrem quando o campo aplicado é paralelo à direção do momento. Morosan disse que isso aponta para um equilíbrio delicado entre as diferentes escalas de energia em YbRh 3 Si 7 .
Outro exemplo de escalas de energia concorrentes no material pode ser visto na interação aprimorada entre momentos magnéticos e elétrons de condução. Esta interação, conhecido como "exibição de Kondo, "surge quando os elétrons portadores - as partículas que fluem na corrente elétrica - interagem com os elétrons alinhados magneticamente nos átomos de itérbio. Stavinoha disse que é intrigante porque YbRh 3 Si 7 tem uma densidade menor de elétrons portadores do que a maioria dos materiais Kondo conhecidos.
"Você raramente encontra vários sistemas Kondo em uma família de compostos isoestruturais, "Stavinoha disse." Na família 1-3-7, descobrimos três desses sistemas Kondo com propriedades magnéticas e eletrônicas distintas. Essa combinação de similaridade estrutural e dissimilaridade de propriedades físicas apresenta uma grande oportunidade para estudos comparativos. "
