Na última década, numerosos estudos de física exploraram como campos elétricos oscilantes produzidos por lasers ou fontes de microondas podem ser usados ​​para alterar dinamicamente as propriedades dos materiais sob demanda. Em um novo estudo apresentado em Física da Natureza , dois pesquisadores da Universidade de Copenhague e da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU), em Singapura, basearam-se nas descobertas desses estudos, descobrir um mecanismo através do qual um metal interagindo não magnético pode magnetizar espontaneamente.

"Experimentos recentes em nanoplasmônicos mostraram que quando os elétrons em sistemas metálicos em nanoescala são excitados coletivamente, eles podem, na verdade, produzem campos elétricos oscilantes extremamente intensos por conta própria, "Mark Rudner, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "À luz desta observação, partimos para descobrir quais novos fenômenos podem surgir quando esses 'campos internos' dentro de um material se retroalimentam para alterar as propriedades do próprio material. "

Os campos internos a que Rudner se refere são intensos campos elétricos oscilantes que se originam de oscilações de carga em um metal, conhecido como plasmons. Plasmons são frequentemente usados ​​para confinar a luz em escalas de comprimento muito abaixo de seu comprimento de onda original em nanoescala, bem como orientar sua propagação por meio de dispositivos. O comportamento detalhado de um plasmon (por exemplo, a frequência em que oscila, sua quiralidade, etc.) é diretamente dependente das propriedades de um material, como sua estrutura de banda eletrônica.

"Tipicamente, essas especificações de material são consideradas quantidades fixas do material escolhido; para obter um tipo diferente de plasmon, seria convencionalmente necessário usar um material diferente, "Justin Song, o outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Queríamos saber se havia uma maneira de contornar essa restrição. É importante ressaltar que se os campos internos fortes de um plasmon pudessem modificar a estrutura de banda eletrônica de um material, alterando assim as propriedades do material, também transformaria o plasmon, criando um ciclo de feedback que permite ao plasmon assumir novos tipos de comportamento. "

Uma vez que perceberam que os campos internos oscilantes em um material excitado podem alterar suas propriedades eletrônicas, Rudner e Song se propuseram a demonstrar esse conceito dentro da configuração mais simples possível. Eles então decidiram estudar discos de grafeno em nanoescala, pois o grafeno é um material amplamente disponível e de alta qualidade que possui características favoráveis ​​para a observação desse efeito. Usando esta configuração, eles demonstraram as condições sob as quais o feedback dos campos internos dos modos coletivos poderia desencadear uma instabilidade em direção à magnetização espontânea no sistema.

"Teoricamente, analisamos como os plasmons em um disco de grafeno se transformavam sob irradiação polarizada linearmente e descobrimos que, quando a intensidade da luz era baixa, o plasmon deve oscilar ao longo da mesma direção que a polarização da luz, "Song explicou." No entanto, acima de uma intensidade crítica, nossa análise teórica indicou que o plasmon pode escolher espontaneamente para girar, adquirindo uma lateralidade que não estava originalmente presente no disco metálico nem na luz irradiante. Desta maneira, os plasmons adquirem uma 'vida separada' (escolhendo espontaneamente uma quiralidade) distinta tanto daquela do material que o hospeda (o disco metálico) quanto daquela do campo de luz que o está conduzindo (a irradiação linearmente polarizada). "

Em seu estudo, Rudner e Song mostraram que os modos coletivos de sistemas dirigidos às vezes podem ter vida própria, "exibindo fenômenos de quebra de simetria únicos e espontâneos que são independentes da fase de equilíbrio subjacente. Embora os pesquisadores tenham ilustrado esse princípio usando discos de grafeno em nanoescala, também se aplica a outros materiais.

"A observação principal ao realizar nossa análise foi que, do ponto de vista de um elétron dentro de um material, um campo elétrico é um campo elétrico:não importa se este campo oscilante foi produzido por um laser brilhando sobre o material de fora (como estudado anteriormente), ou coletivamente por todos os outros elétrons dentro do próprio material, "Rudner disse." Isso abre um mundo de novas possibilidades em que campos internos produzidos por excitações coletivas em materiais podem levar a uma variedade de novos fenômenos. "

Como Rudner e Song explicam, as propriedades dos modos coletivos, como plasmons, são geralmente 'bloqueados' para seu material hospedeiro. Interessantemente, Contudo, suas observações provam que os plasmons podem desafiar esse "bloqueio" em seu material hospedeiro. Em outras palavras, seu estudo mostra que os plasmons podem ter fases distintas do material subjacente que os hospeda.

O estudo realizado por Rudner e Song oferece uma nova visão valiosa sobre como os campos elétricos oscilantes dentro dos materiais, particularmente metais não magnéticos, pode alterar algumas de suas propriedades. Até aqui, os pesquisadores se concentraram nas fases distintas dos plasmons, mas agora estão planejando examinar outros modos coletivos que podem exibir fenômenos de quebra de simetria semelhantes.

"Esperamos ver nossas previsões confirmadas em experimentos em um futuro próximo, "Rudner disse." Em um nível teórico, há muitas questões fundamentais a explorar sobre a natureza da quebra espontânea de simetria de não equilíbrio que previmos, bem como extensões para outros sistemas físicos e tipos de comportamento. Também planejamos investigar possíveis aplicações desse fenômeno, por exemplo, em optoeletrônica. "

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