Materiais topológicos se tornaram um tema quente na pesquisa de materiais quânticos, pois eles têm aplicações potenciais para informações quânticas e spintrônica. Isso ocorre porque os materiais topológicos têm estados eletrônicos estranhos nos quais o momento de um elétron está conectado à sua orientação de spin, algo que pode ser explorado de novas maneiras para codificar e transmitir informações. Um tipo de material topológico, chamado de semimetal magnético de Weyl, está atraindo interesse por causa de sua capacidade potencial de ser manipulado com campos magnéticos.

Como esses materiais são tão novos, Contudo, tem sido difícil para os cientistas identificar e caracterizar os semimetais de Weyl. Um estudo recente de teoria e modelagem de cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) pode não apenas fornecer aos pesquisadores uma maneira mais fácil de encontrar semimetais de Weyl, mas também uma maneira de manipulá-los mais facilmente para dispositivos spintrônicos em potencial.

As tentativas anteriores de investigar os semimetais de Weyl baseavam-se em uma técnica complicada que exigia um raio-X ou uma fonte de laser e amostras cuidadosamente preparadas. Para simplificar a observação de semimetais, Em vez disso, os pesquisadores de Argonne propuseram usar a relação entre duas propriedades essenciais - spin eletrônico e carga - para revelar a natureza dos materiais topológicos e dar aos cientistas novas maneiras de usá-los.

"Queremos saber se há alguma assinatura no semimetal que possamos ver se tentarmos passar uma corrente através dele, algo que é característico de ser um semimetal Weyl, "disse o cientista de materiais de Argonne, Olle Heinonen.

Para gerar uma corrente de carga no semimetal de Weyl, Heinonen propôs primeiro injetar uma corrente de spin na interface entre um metal normal e o semimetal de Weyl. Embora a corrente de spin envolvesse um influxo de elétrons com spins apontados em uma direção específica, não houve nenhuma carga líquida injetada porque os elétrons de spin oposto estavam sendo puxados para o outro lado.

"Você pode pensar nisso como ter dois nadadores indo em direções opostas em uma piscina, um fazendo nado livre e outro de costas, "disse ele." Não há direção líquida para nadar, mas há uma quantidade líquida de estilo livre. "

Movendo os spins preferencialmente do metal normal para o semimetal de Weyl, os pesquisadores descobriram que o semimetal precisava encontrar maneiras de acomodar elétrons com spins específicos em sua estrutura eletrônica. "Você não pode simplesmente colocar qualquer elétron onde quiser, "Heinonen disse.

Em vez de, os pesquisadores descobriram que os elétrons tendem a redistribuir seus spins para os locais disponíveis e energeticamente favoráveis. "Você pode não conseguir encaixar todo o seu giro em um estado eletrônico específico, mas você pode ajustar quantidades fracionárias de spin em diferentes estados que somam a mesma quantidade, "Heinonen disse." Imagine se você tem uma onda que atinge uma rocha; você ainda tem a mesma quantidade de água em movimento, apenas em direções diferentes. "

Quando o elétron "se quebra" dessa maneira, ao encontrar o semimetal de Weyl, os diferentes estados eletrônicos resultantes viajam com velocidades diferentes, gerando uma corrente de carga. Dependendo da direção em que esta corrente é medida, digamos, de cima para baixo ou da esquerda para a direita - os cientistas viram resultados diferentes.

"Como o elétron se quebra está relacionado de uma forma muito sensível às relações entre energia, momento e spin no semimetal magnético de Weyl, "Heinonen disse." Como resultado, como a direção da corrente de carga muda está diretamente relacionada às propriedades do semimetal de Weyl, permitindo que você determine suas características topológicas. "

Vendo a anisotropia, ou a diferença na corrente de carga quando medida em diferentes direções no semimetal de Weyl, dá aos pesquisadores duas informações. Primeiro, revela a natureza Weyl do material, mas talvez mais importante, permite aos pesquisadores ajustar as propriedades do material. "A resposta que vemos é excepcionalmente interessante porque é um Wey lsemimetal, e porque tem esta resposta anisotrópica interessante, provavelmente podemos explorar isso em alguns dispositivos, "Heinonen disse." Estamos um pouco à frente da curva no que diz respeito às pessoas realmente fazendo muitos semimetais Weyl, mas isso nos dá uma maneira barata de testar e experimentar um tipo de material que provavelmente se tornará mais popular. "

Um artigo baseado no estudo, "Conversão spin-para-carga em semimetais magnéticos de Weyl, "apareceu na edição de 1º de novembro da Cartas de revisão física . Ivar Martin de Argonne, Shulei Zhang, agora um professor assistente de física na Case Western Reserve University, e Anton Burkov da Universidade de Waterloo, também colaborou no estudo.