Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por cientistas da Universidade de Princeton descobriu que um material magnético em temperatura ambiente permite que os elétrons se comportem de forma não intuitiva, agindo coletivamente e não como indivíduos. Seu comportamento coletivo imita partículas sem massa e antipartículas que coexistem de uma maneira inesperada e, juntas, formam uma estrutura semelhante a um loop exótico.

A chave para esse comportamento é a topologia - um ramo da matemática que já é conhecido por desempenhar um papel poderoso em ditar o comportamento dos elétrons nos cristais. Os materiais topológicos podem conter partículas sem massa na forma de luz, ou fótons. Em um cristal topológico, os elétrons muitas vezes se comportam como luz desacelerada ainda, ao contrário da luz, carregam carga elétrica.

A topologia raramente foi observada em materiais magnéticos, e a descoberta de um material topológico magnético à temperatura ambiente é um passo em frente que pode desbloquear novas abordagens para o aproveitamento de materiais topológicos para futuras aplicações tecnológicas.

“Antes deste trabalho, as evidências das propriedades topológicas dos ímãs em três dimensões foram inconclusivas. Esses novos resultados nos fornecem evidências diretas e decisivas para esse fenômeno em nível microscópico, "disse M. Zahid Hasan, o professor de física Eugene Higgins em Princeton, quem liderou a pesquisa. "Este trabalho abre um novo continente para exploração em ímãs topológicos."

Hasan e sua equipe passaram mais de uma década estudando materiais candidatos na busca por um estado quântico magnético topológico.

"A física dos ímãs em massa foi entendida por muitas décadas. Uma pergunta natural para nós é:as propriedades magnéticas e topológicas juntas podem produzir algo novo em três dimensões?" Hasan disse.

Existem milhares de materiais magnéticos, mas a maioria não tinha as propriedades corretas, os pesquisadores descobriram. Os ímãs eram muito difíceis de sintetizar, o magnetismo não foi suficientemente bem compreendido, a estrutura magnética era muito complicada para modelar teoricamente, ou nenhuma assinatura experimental decisiva da topologia pôde ser observada.

Então veio uma virada feliz.

"Depois de estudar muitos materiais magnéticos, realizamos uma medição em uma classe de ímãs em temperatura ambiente e, inesperadamente, vimos assinaturas de elétrons sem massa, "disse Ilya Belopolski, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Hasan e co-primeiro autor do estudo. "Isso nos colocou no caminho para a descoberta da primeira fase magnética topológica tridimensional."

O exótico cristal magnético consiste em cobalto, manganês e gálio, organizado em ordem, repetindo o padrão tridimensional. Para explorar o estado topológico do material, os pesquisadores usaram uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido. Neste experimento, luz de alta intensidade brilha na amostra, forçando a emissão de elétrons da superfície. Esses elétrons emitidos podem então ser medidos, fornecendo informações sobre a forma como os elétrons se comportavam quando estavam dentro do cristal.

"É uma técnica experimental extremamente poderosa, o que, neste caso, nos permitiu observar diretamente que os elétrons neste ímã se comportam como se não tivessem massa. Esses elétrons sem massa são conhecidos como férmions de Weyl, "disse Daniel Sanchez, um pesquisador visitante de Princeton e Ph.D. estudante da Universidade de Copenhagen, e outro co-primeiro autor do estudo.

Um insight importante veio quando os pesquisadores estudaram os férmions de Weyl mais de perto e perceberam que o ímã hospedava uma série infinita de elétrons sem massa distintos que tomam a forma de um loop, com alguns elétrons imitando propriedades de partículas e algumas de antipartículas. Este comportamento quântico coletivo dos elétrons foi denominado um loop de férmions de Weyl topológico magnético.

"É realmente um sistema novo e exótico, "disse Guoqing Chang, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Hasan e co-autor do estudo. "O comportamento coletivo do elétron nessas partículas é diferente de tudo o que é familiar para nós em nossa experiência cotidiana - ou mesmo na experiência dos físicos de partículas que estudam as partículas subatômicas. Aqui, estamos lidando com partículas emergentes que obedecem a diferentes leis da natureza."

Acontece que o principal impulsionador dessas propriedades é uma quantidade matemática que descreve a série infinita de elétrons sem massa. Os pesquisadores conseguiram definir o papel da topologia observando mudanças sutis na diferença do comportamento dos elétrons que vivem na superfície da amostra e mais profundamente em seu interior. A técnica para demonstrar quantidades topológicas por meio de contrastes de propriedades de superfície e volume foi desenvolvida pelo grupo de Hasan e usada para detectar férmions de Weyl, uma descoberta publicada em 2015. A equipe recentemente usou uma abordagem análoga para descobrir um cristal quiral topológico, trabalho publicado no jornal Natureza no início deste ano, que também era liderado pelo grupo de Hasan em Princeton e incluía Daniel Sanchez, Guoqing Chang e Ilya Belopolski como autores principais.

Previsões teóricas

A relação entre a topologia e as partículas do loop quântico magnético foi explorada nas previsões teóricas do grupo Hasan publicadas em outubro de 2017 em Cartas de revisão física . Contudo, o interesse teórico do grupo em ímãs topológicos remonta muito antes às previsões teóricas publicadas em Materiais da Natureza em 2010. Esses trabalhos teóricos do grupo de Hasan foram financiados pelo escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA.

“Este trabalho representa o culminar de cerca de uma década de busca pela realização de uma fase quântica magnética topológica em três dimensões, "Hasan disse.

Em 2016, Duncan Haldane, Professor de Física da Universidade Sherman Fairchild de Princeton, ganhou o Prêmio Nobel de Física por suas teorias que prevêem as propriedades de materiais topológicos uni e bidimensionais.

Um aspecto importante do resultado é que o material retém seu magnetismo até 400 graus Celsius - bem acima da temperatura ambiente - atendendo a um requisito fundamental para aplicações tecnológicas do mundo real.

"Antes do nosso trabalho, As propriedades magnéticas topológicas foram tipicamente observadas quando os filmes finos de materiais eram extremamente frios - uma fração de grau acima do zero absoluto - exigindo equipamento especializado simplesmente para atingir as temperaturas necessárias. Mesmo uma pequena quantidade de calor desestabilizaria termicamente o estado magnético topológico, "Hasan disse." O ímã quântico estudado aqui exibe propriedades topológicas em temperatura ambiente. "

Um ímã topológico em três dimensões revela suas assinaturas mais exóticas apenas em sua superfície - as funções de onda do elétron tomam a forma de peles. Isso não tem precedentes em ímãs conhecidos anteriormente e constituem a assinatura reveladora de um ímã topológico. Os pesquisadores observaram esses estados eletrônicos em forma de pele de tambor em seus dados, fornecendo a evidência decisiva crucial de que é um novo estado da matéria.

Patrick Lee, o Professor de Física William &Emma Rogers do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que não estava envolvido no estudo, comentou sobre a importância do achado. "O grupo Princeton está há muito tempo na vanguarda da descoberta de novos materiais com propriedades topológicas, "Lee disse." Ao estender este trabalho para um ferromagnético à temperatura ambiente e demonstrar a existência de um novo tipo de estados de superfície da pele de pele, este trabalho abre um novo domínio para novas descobertas. "

Para entender suas descobertas, os pesquisadores estudaram o arranjo dos átomos na superfície do material usando várias técnicas, como verificar o tipo certo de simetria usando o microscópio de tunelamento de varredura no Laboratório de Hasan para Matéria Quântica Topológica e Espectroscopia Avançada, localizado no porão do Jadwin Hall de Princeton.

Um importante contribuinte para a descoberta foi o equipamento de espectroscopia de última geração usado para realizar o experimento. Os pesquisadores usaram uma linha de luz de espectroscopia de fotoemissão dedicada recentemente construída no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, parte do SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia.

"A luz usada no experimento de fotoemissão SLAC é extremamente brilhante e focada em um ponto minúsculo com apenas várias dezenas de micrômetros de diâmetro, "disse Belopolski." Isso foi importante para o estudo. "

O trabalho foi realizado em estreita colaboração com o grupo do Professor Hsin Lin no Instituto de Física, Academia Sinica em Taiwan, e a Professora Claudia Felser do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos em Dresden, Alemanha, incluindo o pesquisador de pós-doutorado Kaustuv Manna como co-primeiro autor.

Impulsionado pela tentadora possibilidade de aplicativos, os pesquisadores deram um passo adiante e aplicaram campos eletromagnéticos ao ímã topológico para ver como ele responderia. Eles observaram uma resposta eletromagnética exótica até a temperatura ambiente, que pode ser diretamente rastreado até os elétrons do loop quântico.

"Temos muitos materiais topológicos, mas entre eles tem sido difícil mostrar uma resposta eletromagnética clara decorrente da topologia, "Hasan acrescentou." Aqui temos sido capazes de fazer isso. Ele cria um novo campo de pesquisa para ímãs topológicos. "

O estudo, "Descoberta das linhas de férmions de Weyl topológicas e dos estados da superfície da pele da pele em um ímã à temperatura ambiente, "por Ilya Belopolski, Kaustuv Manna, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, Benedikt Ernst, Jiaxin Yin, Songtian S. Zhang, Tyler Cochran, Nana Shumiya, Hao Zheng, Bahadur Singh, Guang Bian, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Xiaoting Zhou, Shin-Ming Huang, Baokai Wang, Tay-Rong Chang, Su-Yang Xu, Arun Bansil, Claudia Felser, Hsin Lin e Zahid Hasan aparecem na edição de 19 de setembro da Ciência .