Pegando seu nome de um intrincado padrão de cesta japonesa, Acredita-se que os ímãs kagome tenham propriedades eletrônicas que podem ser valiosas para futuros dispositivos e aplicações quânticas. As teorias preveem que alguns elétrons nesses materiais são exóticos, os chamados comportamentos topológicos e outros se comportam um pouco como o grafeno, outro material valorizado por seu potencial para novos tipos de eletrônicos.

Agora, uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton observou que alguns dos elétrons nesses ímãs se comportam coletivamente, como um elétron quase infinitamente massivo que é estranhamente magnético, em vez de como partículas individuais. O estudo foi publicado na revista Física da Natureza esta semana.

A equipe também mostrou que colocar o ímã kagome em um campo magnético alto causa a reversão da direção do magnetismo. Este "magnetismo negativo" é semelhante a uma bússola que aponta para o sul em vez de para o norte, ou um ímã de geladeira que de repente se recusa a grudar.

"Temos procurado por elétrons supermassivos de 'banda plana' que ainda podem conduzir eletricidade por um longo tempo, e finalmente os encontramos, "disse M. Zahid Hasan, o professor de física Eugene Higgins da Universidade de Princeton, quem liderou a equipe. "Neste sistema, também descobrimos que, devido a um efeito de fase quântica interna, alguns elétrons se alinham em oposição ao campo magnético, produzindo magnetismo negativo. "

A equipe explorou como os átomos dispostos em um padrão kagome em um cristal dão origem a estranhas propriedades eletrônicas que podem ter benefícios do mundo real, como supercondutividade, que permite que a eletricidade flua sem perda como calor, ou magnetismo que pode ser controlado no nível quântico para uso em eletrônicos futuros.

Os pesquisadores usaram microscopia de varredura de última geração e espectroscopia (STM / S) para observar o comportamento dos elétrons em um cristal com padrão kagome feito de cobalto e estanho, imprensado entre duas camadas de átomos de enxofre, que são posteriormente imprensados ​​entre duas camadas de estanho.

Na camada kagome, os átomos de cobalto formam triângulos em torno de um hexágono com um átomo de estanho no centro. Essa geometria força os elétrons a algumas posições desconfortáveis ​​- fazendo com que esse tipo de material seja chamado de "ímã frustrado".

Para explorar o comportamento do elétron nesta estrutura, os pesquisadores cortaram as camadas superiores para revelar a camada kagome abaixo.

Eles então usaram a técnica STM / S para detectar o perfil de energia de cada elétron, ou estrutura de banda. A estrutura de banda descreve a gama de energias que um elétron pode ter dentro de um cristal, e explica, por exemplo, porque alguns materiais conduzem eletricidade e outros são isolantes. Os pesquisadores descobriram que alguns dos elétrons na camada kagome têm uma estrutura de banda que, em vez de ser curvado como na maioria dos materiais, é plano.

Uma estrutura de banda plana indica que os elétrons têm uma massa efetiva que é tão grande que chega a ser quase infinita. Em tal estado, as partículas agem coletivamente em vez de partículas individuais.

As teorias há muito previram que o padrão kagome criaria uma estrutura de banda plana, mas este estudo é a primeira detecção experimental de um elétron de banda plana em tal sistema.

Uma das previsões gerais a seguir é que um material com uma faixa plana pode exibir magnetismo negativo.

De fato, no estudo atual, quando os pesquisadores aplicaram um forte campo magnético, alguns dos elétrons do ímã kagome apontavam na direção oposta.

"Se o campo foi aplicado para cima ou para baixo, a energia dos elétrons mudou na mesma direção, essa foi a primeira coisa que foi estranha em termos de experimentos, "disse Songtian Sonia Zhang, um estudante de pós-graduação em física e um dos três co-autores do artigo.

"Isso nos intrigou por cerca de três meses, "disse Jia-Xin Yin, um associado de pesquisa de pós-doutorado e outro co-autor do estudo. "Estávamos procurando o motivo, e com nossos colaboradores percebemos que esta foi a primeira evidência experimental de que este pico de banda plana na rede kagome tem um momento magnético negativo. "

Os pesquisadores descobriram que o magnetismo negativo surge devido à relação entre a banda plana de kagome, um fenômeno quântico chamado acoplamento spin-órbita, magnetismo e um fator quântico chamado campo de curvatura de Berry. O acoplamento spin-órbita se refere a uma situação em que o spin de um elétron, que em si é uma propriedade quântica dos elétrons, torna-se ligado à rotação orbital do elétron. A combinação do acoplamento spin-orbital e a natureza magnética do material faz com que todos os elétrons se comportem de forma travada, como uma única partícula gigante.

Outro comportamento intrigante que surge das interações spin-órbita fortemente acopladas é o surgimento de comportamentos topológicos. O tema do Prêmio Nobel de Física 2016, materiais topológicos podem ter elétrons que fluem sem resistência em suas superfícies e são uma área ativa de pesquisa. O material cobalto-estanho-enxofre é um exemplo de sistema topológico.

Redes padronizadas bidimensionais podem ter outros tipos desejáveis ​​de condutância de elétrons. Por exemplo, o grafeno é um padrão de átomos de carbono que gerou considerável interesse por suas aplicações eletrônicas nas últimas duas décadas. A estrutura de bandas da rede kagome dá origem a elétrons que se comportam de maneira semelhante aos do grafeno.

O estudo, "Magnetismo de banda plana negativa em um ímã kagome correlacionado spin-orbit acoplado, "por Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Qi Wang, Stepan S. Tsirkin, Zurab Guguchia, Biao Lian, Huibin Zhou, Kun Jiang, Ilya Belopolski, Nana Shumiya, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Tyler A. Cochran, Hsin Lin, Ziqiang Wang, Titus Neupert, Shuang Jia, Hechang Lei e M. Zahid Hasan, foi publicado online em 18 de fevereiro, 2019 no jornal Física da Natureza .