Em muitos materiais, resistência elétrica e mudança de voltagem na presença de um campo magnético, geralmente variando suavemente conforme o campo magnético gira. Esta resposta magnética simples é a base de muitas aplicações, incluindo detecção de corrente sem contato, sensor de movimento, e armazenamento de dados. Em um cristal, a maneira como a carga e o spin de seus elétrons se alinham e interagem é a base desses efeitos. Utilizando a natureza do alinhamento, chamada simetria, é um ingrediente chave no projeto de um material funcional para a eletrônica e no campo emergente da eletrônica baseada em spin (spintrônica).

Recentemente, uma equipe de pesquisadores do MIT, o Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) e a École Normale Supérieure (ENS) de Lyon, Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB), a Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST), e NIST Center for Neutron Research, liderado por Joseph G. Checkelsky, professor assistente de física no MIT, descobriu um novo tipo de resposta elétrica acionada magneticamente em um cristal composto de cério, alumínio, germânio, e silício.

Em temperaturas abaixo de 5,6 kelvins (correspondendo a -449,6 graus Fahrenheit), esses cristais mostram um aumento acentuado da resistividade elétrica quando o campo magnético está precisamente alinhado em um ângulo de 1 grau ao longo da direção de alta simetria do cristal. Este efeito, que os pesquisadores denominaram "magnetorresistência angular singular, "pode ​​ser atribuído à simetria - em particular, a ordenação dos momentos magnéticos dos átomos de cério. Seus resultados são publicados hoje na revista. Ciência .

Nova resposta e simetria

Como um relógio antigo projetado para tocar às 12:00 e em nenhuma outra posição dos ponteiros, a recém-descoberta magnetorresistência só ocorre quando a direção, ou vetor, do campo magnético é apontado diretamente em linha com o eixo de alta simetria na estrutura cristalina do material. Afaste o campo magnético mais de um grau desse eixo e a resistência cai vertiginosamente.

"Em vez de responder aos componentes individuais do campo magnético como um material tradicional, aqui, o material responde à direção vetorial absoluta, "diz Takehito Suzuki, um cientista pesquisador do grupo Checkelsky que sintetizou esses materiais e descobriu o efeito. "O aumento acentuado observado, que chamamos de magnetorresistência angular singular, implica um estado distinto realizado apenas sob essas condições. "

Magnetoresistência é uma mudança na resistência elétrica de um material em resposta a um campo magnético aplicado. Um efeito relacionado, conhecido como magnetorresistência gigante, é a base dos discos rígidos de computadores modernos e seus descobridores receberam o Prêmio Nobel em 2007.

"O aumento observado é tão confinado com o campo magnético ao longo do eixo cristalino neste material que sugere fortemente que a simetria desempenha um papel crítico, "Lucile Savary, pesquisador permanente do CNRS na ENS de Lyon, acrescenta. Savary foi Betty and Gordon Moore Postdoctoral Fellow no MIT de 2014-17, quando a equipe começou a colaborar.

Para elucidar o papel da simetria, é crucial ver o alinhamento dos momentos magnéticos, para o qual Suzuki e Jeffrey Lynn, Companheiro NIST, realizaram estudos de difração de nêutrons de pó no espectrômetro de eixo triplo BT-7 no NIST Center for Neutron Research (NCNR). A equipe de pesquisa usou os recursos de difração de nêutrons do NCNR para determinar a estrutura magnética do material, que desempenha um papel essencial na compreensão de suas propriedades topológicas e natureza dos domínios magnéticos. Um "estado topológico" é aquele que está protegido da desordem comum. Este foi um fator chave para desvendar o mecanismo da resposta singular.

Com base no padrão de pedido observado, Savary e Leon Balents, professor e membro permanente do Instituto Kavli de Física Teórica da UCSB, construiu um modelo teórico onde a quebra espontânea de simetria causada pela ordenação do momento magnético se acopla ao campo magnético e à estrutura eletrônica topológica. Como consequência do acoplamento, a comutação entre os estados de baixa e alta resistividade uniformemente ordenados pode ser manipulada pelo controle preciso da direção do campo magnético.

"A concordância do modelo com os resultados experimentais é excelente e foi a chave para entender o que era uma observação experimental misteriosa, "diz Checkelsky, o autor sênior do artigo.

Universalidade do fenômeno

"A questão interessante aqui é se a magnetorresistência angular singular pode ou não ser amplamente observada em materiais magnéticos e, se esse recurso puder ser observado de forma onipresente, qual é o ingrediente chave para projetar os materiais com esse efeito, "Suzuki diz.

O modelo teórico indica que a resposta singular pode de fato ser encontrada em outros materiais e prevê propriedades do material benéficas para a realização desse recurso. Um dos ingredientes importantes é uma estrutura eletrônica com um pequeno número de cobranças gratuitas, que ocorre em uma estrutura eletrônica semelhante a um ponto, denominada nodal. O material deste estudo possui os chamados pontos de Weyl que alcançam isso. Em tais materiais, os momentos de elétrons permitidos dependem da configuração da ordem magnética. Tal controle dos momentos dessas cargas pelo grau de liberdade magnética permite que o sistema suporte regiões de interface comutáveis ​​onde os momentos são incompatíveis entre domínios de diferentes ordens magnéticas. Essa incompatibilidade também leva ao grande aumento na resistência observada neste estudo.

Esta análise é ainda apoiada pelo cálculo de estrutura eletrônica de primeiros princípios realizado por Jianpeng Liu, professor assistente de pesquisa no HKUST, e Balents. Usando elementos magnéticos mais tradicionais, como ferro ou cobalto, em vez de cério de terras raras, pode oferecer um caminho potencial para a observação em temperatura mais alta do efeito de magnetorresistência angular singular. O estudo também descartou uma mudança na disposição dos átomos, chamada de transição de fase estrutural, como causa da mudança na resistividade do material à base de cério.

Kenneth Burch, diretor do programa de pós-graduação e professor associado de física no Boston College, cujo laboratório investiga materiais Weyl, notas:"A descoberta de notável sensibilidade ao ângulo magnético é um fenômeno completamente inesperado nesta nova classe de materiais. Este resultado sugere não apenas novas aplicações de semimetais de Weyl em sensoriamento magnético, mas o acoplamento único de transporte eletrônico, quiralidade e magnetismo. "A quiralidade é um aspecto dos elétrons relacionado ao seu spin que lhes dá uma orientação para canhotos ou destros.

A descoberta deste pico de resistência afiado, mas estreitamente confinado, poderia eventualmente ser usada por engenheiros como um novo paradigma para sensores magnéticos. Notes Checkelsky, "Uma das coisas interessantes sobre as descobertas fundamentais do magnetismo é o potencial para adoção rápida de novas tecnologias. Com os princípios de design agora em mãos, estamos lançando uma ampla rede para encontrar esse fenômeno em sistemas mais robustos para desbloquear esse potencial. "