Antiferromagnética (superior) e ordem antiferromagnética inclinada (inferior). No último caso, os spins são inclinados em relação ao eixo c fácil, levando a uma contribuição ferromagnética no plano ortogonal a esse eixo (representado por setas verdes). Crédito:ETH Zurich / D-PHYS
Materiais que combinam propriedades eletrônicas topológicas e magnetismo quântico são de grande interesse para a física quântica de muitos corpos que eles exibem e para possíveis aplicações em componentes eletrônicos. Os físicos da ETH já estabeleceram o mecanismo microscópico que liga o magnetismo e a topologia de banda eletrônica para um desses materiais.
A matéria de Dirac é uma classe intrigante de materiais com propriedades interessantes:os elétrons nesses materiais se comportam como se não tivessem massa. O material Dirac mais proeminente é o grafeno, mas outros foram descobertos nos últimos 15 anos. Cada um serve como um rico playground para explorar comportamentos eletrônicos exóticos, alguns dos quais podem permitir novos componentes para eletrônicos.
Contudo, existem poucos exemplos onde a topologia das bandas eletrônicas está conectada de maneira bem definida às propriedades magnéticas dos materiais. Um material em que tal interação entre estados eletrônicos topológicos e magnetismo foi observada é CaMnBi 2 , mas o mecanismo que conecta os dois permaneceu obscuro. Escrevendo em Cartas de revisão física , pós-doutorado Run Yang e Ph.D. aluno Matteo Corasaniti do grupo de Espectroscopia Óptica do Prof. Leonardo Degiorgi do Laboratório de Física do Estado Sólido da ETH Zurique, trabalhando com colegas do Laboratório Nacional de Brookhaven (EUA) e da Academia Chinesa de Ciências em Pequim, agora relata um estudo abrangente fornecendo evidências claras de que um leve empurrão nos momentos magnéticos, conhecido como inclinação de rotação, provoca mudanças substanciais na estrutura da banda eletrônica.
CaMnBi 2 e o composto relacionado SrMnBi 2 exibir magnetismo quântico - os íons de manganês são antiferromagneticamente ordenados em torno da temperatura ambiente e abaixo - e, ao mesmo tempo, eles hospedam elétrons de Dirac. Suspeita-se que haja interação entre as duas propriedades, como em ~ 50 K, aparece uma 'saliência' inesperada nas propriedades de condução desses materiais. Mas a natureza precisa dessa anomalia foi mal compreendida até agora.
Em trabalhos anteriores estudando propriedades ópticas, Corasaniti, Yang e colegas de trabalho já estabeleceram um vínculo com as propriedades eletrônicas do material. Eles exploraram o fato de que a anomalia semelhante a uma saliência nas propriedades de transporte pode ser alterada na temperatura pela substituição de alguns átomos de cálcio por sódio. Para determinar as origens microscópicas do comportamento observado, eles estudaram amostras com diferentes dopings de sódio por magnetometria de torque. Nesta técnica, o torque em uma amostra magnética é medido quando ela é exposta a um campo adequadamente forte, análogo a uma agulha de bússola alinhada com o campo magnético da Terra. Essa abordagem apontou a equipe para as origens da anomalia.
Uma ligação firme entre propriedades magnéticas e eletrônicas
Em seus experimentos de torque magnético, os pesquisadores descobriram que em temperaturas onde nenhuma anomalia é observada nas medições de transporte eletrônico, o comportamento magnético é semelhante a um antiferroímã. Contudo, em temperaturas nas quais a anomalia se manifesta, um componente ferromagnético apareceu, o que pode ser explicado por uma projeção de momentos magnéticos no plano ortogonal ao eixo c de spin fácil da ordem antiferromagnética original (ver figura). Este fenômeno é conhecido como inclinação de rotação, induzida por um mecanismo denominado de supertroca.
Esses dois conjuntos de experimentos - as medições óticas e de torque - foram apoiados por cálculos dedicados de primeiros princípios. Em particular, para o caso em que a inclinação da rotação foi incluída nos cálculos, uma hibridização peculiar entre os átomos de manganês e bismuto foi encontrada para mediar o acoplamento magnético intercamada e para governar as propriedades eletrônicas no material. Tomados em conjunto, o estudo estabelece uma ligação direta entre as propriedades magnéticas e mudanças na estrutura da banda eletrônica, refletido na anomalia das propriedades de transporte.
Essas descobertas abrem a porta para explorar as propriedades eletrônicas do CaMnBi 2 e compostos relacionados, bem como as possibilidades decorrentes da conexão entre propriedades magnéticas e estados topológicos nessas formas intrigantes de matéria.
