Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton descobriu uma nova classe de ímã que exibe novos efeitos quânticos que se estendem até a temperatura ambiente.

Os pesquisadores descobriram uma fase topológica quantizada em um ímã primitivo. Suas descobertas fornecem insights sobre uma teoria de 30 anos de como os elétrons quantizam espontaneamente e demonstram um método de prova de princípio para descobrir novos ímãs topológicos. Os ímãs quânticos são plataformas promissoras para corrente sem dissipação, alta capacidade de armazenamento e futuras tecnologias verdes. O estudo foi publicado na revista Natureza esta semana.

As raízes da descoberta estão no funcionamento do efeito Hall quântico - uma forma de efeito topológico que foi objeto do Prêmio Nobel de Física em 1985. Esta foi a primeira vez que um ramo da matemática teórica, chamada topologia, começaria a mudar fundamentalmente a forma como descrevemos e classificamos a matéria que constitui o mundo ao nosso redor. Desde então, fases topológicas têm sido intensamente estudadas na ciência e na engenharia. Muitas novas classes de materiais quânticos com estruturas eletrônicas topológicas foram encontradas, incluindo isoladores topológicos e semimetais de Weyl. Contudo, enquanto algumas das ideias teóricas mais interessantes requerem magnetismo, a maioria dos materiais explorados são não magnéticos e não mostram quantização, deixando muitas possibilidades tentadoras não realizadas.

"A descoberta de um material topológico magnético com comportamento quantizado é um grande passo à frente que pode abrir novos horizontes no aproveitamento da topologia quântica para a física fundamental futura e pesquisa de dispositivos de próxima geração", disse M. Zahid Hasan, o professor de física Eugene Higgins da Universidade de Princeton, que liderou a equipe de pesquisa.

Enquanto as descobertas experimentais estavam sendo feitas rapidamente, a física teórica se destacou no desenvolvimento de ideias que levam a novas medições. Conceitos teóricos importantes sobre isoladores topológicos 2-D foram apresentados em 1988 por F. Duncan Haldane, o professor Thomas D. Jones de Física Matemática e o Professor de Física da Sherman Fairchild University em Princeton, que em 2016 recebeu o Prêmio Nobel de Física por descobertas teóricas de transições de fase topológica e fases topológicas da matéria. Desenvolvimentos teóricos subsequentes mostraram que o magnetismo hospedeiro do isolante topológico em um arranjo atômico especial conhecido como rede kagome pode hospedar alguns dos efeitos quânticos mais bizarros.

Hasan e sua equipe estão em uma busca de uma década por um estado quântico magnético topológico que também possa operar em temperatura ambiente desde a descoberta dos primeiros exemplos de isoladores topológicos tridimensionais. Recentemente, eles encontraram uma solução de materiais para a conjectura de Haldane em um ímã de rede kagome que é capaz de operar em temperatura ambiente, que também exibe a tão desejada quantização. "A rede kagome pode ser projetada para possuir cruzamentos de bandas relativísticas e fortes interações elétron-elétron. Ambos são essenciais para um novo magnetismo. Portanto, percebemos que os ímãs kagome são um sistema promissor no qual procurar fases magnéticas topológicas, pois são como os isoladores topológicos que estudamos antes, "disse Hasan.

Por tanto tempo, o material direto e a visualização experimental desse fenômeno permaneceram indefinidos. A equipe descobriu que a maioria dos ímãs kagome eram muito difíceis de sintetizar, o magnetismo não foi suficientemente bem compreendido, nenhuma assinatura experimental decisiva da topologia ou quantização pôde ser observada, ou eles operam apenas em temperaturas muito baixas.

"Uma química atômica adequada e um projeto de estrutura magnética, juntamente com a teoria dos primeiros princípios, é o passo crucial para tornar a previsão especulativa de Duncan Haldane realista em um ambiente de alta temperatura, "disse Hasan." Existem centenas de ímãs de kagome, e precisamos de intuição, experiência, cálculos específicos de materiais, e intensos esforços experimentais para eventualmente encontrar o material certo para uma exploração em profundidade. E isso nos levou a uma jornada de uma década. "

Ao longo de vários anos de intensa pesquisa em várias famílias de ímãs topológicos (Nature 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11, 559 (2020), Phys. Rev. Lett. 125, 046401 (2020)), a equipe gradualmente percebeu que um material feito de elementos térbio, manganês e estanho (TbMn6Sn6) tem a estrutura de cristal ideal com quimicamente puro, propriedades da mecânica quântica e camadas da rede kagome segregadas espacialmente. Além disso, ele apresenta exclusivamente uma forte magnetização fora do plano. Com este ímã kagome ideal sintetizado com sucesso no nível de cristal único grande por colaboradores do grupo de Shuang Jia na Universidade de Pequim, O grupo de Hasan iniciou medições sistemáticas de última geração para verificar se os cristais são topológicos e, mais importante, apresentam o estado magnético quântico exótico desejado.

A equipe de pesquisadores de Princeton usou uma técnica avançada conhecida como microscopia de varredura por tunelamento, que é capaz de sondar as funções de onda eletrônica e de spin de um material na escala subatômica com resolução de energia submilivolt. Sob essas condições ajustadas, os pesquisadores identificaram os átomos da rede kagome magnética no cristal, achados que foram posteriormente confirmados por espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo de última geração com resolução de momento.

"A primeira surpresa foi que a rede kagome magnética neste material é super limpa em nossa microscopia de tunelamento de varredura, "disse Songtian Sonia Zhang, uma coautora do estudo que obteve seu Ph.D. em Princeton no início deste ano. "A visualização experimental de tal rede kagome magnética sem defeitos oferece uma oportunidade sem precedentes para explorar suas propriedades quânticas topológicas intrínsecas."

O verdadeiro momento mágico foi quando os pesquisadores ativaram um campo magnético. Eles descobriram que os estados eletrônicos da rede kagome se modulam dramaticamente, formando níveis de energia quantizados de uma forma que seja consistente com a topologia de Dirac. Ao aumentar gradualmente o campo magnético para 9 Tesla, que é centenas de milhares de vezes maior do que o campo magnético da Terra, eles mapearam sistematicamente a quantização completa desse ímã. "É extremamente raro - não foi encontrado nenhum ainda - encontrar um sistema magnético topológico apresentando o diagrama quantizado. Requer um projeto de material magnético quase sem defeitos, teoria sintonizada e medições espectroscópicas de ponta ", disse Nana Shumiya, um estudante de pós-graduação e co-autor do estudo.

O diagrama quantizado que a equipe mediu fornece informações precisas revelando que a fase eletrônica corresponde a uma variante do modelo Haldane. Ele confirma que o cristal apresenta uma dispersão de Dirac polarizada por spin com uma grande lacuna de Chern, como esperado pela teoria para ímãs topológicos. Contudo, uma peça do quebra-cabeça ainda estava faltando. "Se esta é realmente uma lacuna de Chern, então, com base no princípio topológico fundamental de limite de massa, devemos observar estados quirais (tráfego unilateral) na borda do cristal, "Hasan disse.

A peça final se encaixou quando os pesquisadores examinaram o limite ou a borda do ímã. Eles encontraram uma assinatura clara de um estado de borda apenas dentro da lacuna de energia de Chern. Propagando-se ao longo do lado do cristal sem espalhamento aparente (o que revela seu caráter sem dissipação), o estado foi confirmado como o estado de borda topológica quiral. A imagem desse estado não tinha precedentes em qualquer estudo anterior de ímãs topológicos.

Os pesquisadores ainda usaram outras ferramentas para verificar e reconfirmar suas descobertas dos férmions Dirac com lacunas de Chern, incluindo medições de transporte elétrico de escala anômala de Hall, espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido da dispersão de Dirac no espaço de momento, e cálculos de primeiros princípios da ordem topológica na família de materiais. Os dados forneceram um espectro completo de evidências interligadas, todas apontando para a realização de uma fase de Chern com limite quântico neste ímã kagome. "Todas as peças se encaixam em uma demonstração de livro da física dos férmions de Dirac magnéticos com lacunas de Chern, "disse Tyler A. Cochran, um estudante de pós-graduação e co-primeiro autor do estudo.

Agora, o foco teórico e experimental do grupo está mudando para as dezenas de compostos com estruturas semelhantes a TbMn6Sn6 que hospedam redes kagome com uma variedade de estruturas magnéticas, cada um com sua topologia quântica individual. "Nossa visualização experimental da fase de Chern do limite quântico demonstra uma metodologia de prova de princípio para descobrir novos ímãs topológicos, "disse Jia-Xin Yin, um pesquisador sênior de pós-doutorado e outro co-autor do estudo.

"É como descobrir água em um exoplaneta - abre uma nova fronteira de pesquisa topológica de matéria quântica para a qual nosso laboratório em Princeton foi otimizado, "Hasan disse.