Os campos da física da matéria condensada e da ciência dos materiais estão intimamente ligados porque a nova física é freqüentemente descoberta em materiais com arranjos especiais de átomos. Cristais, que têm unidades repetidas de átomos no espaço, pode ter padrões especiais que resultam em propriedades físicas exóticas. Particularmente empolgantes são os materiais que hospedam vários tipos de propriedades exóticas porque dão aos cientistas a oportunidade de estudar como essas propriedades interagem e influenciam umas às outras. As combinações podem dar origem a fenômenos inesperados e abastecer anos de pesquisa básica e tecnológica.

Em um novo estudo publicado em Avanços da Ciência esta semana, uma equipe internacional de cientistas dos EUA, Columbia, República Checa, Inglaterra, e liderado pelo Dr. Mazhar N. Ali no Instituto Max Planck de Física da Microestrutura na Alemanha, mostrou que um novo material, KV ₃ Sb ₅ , tem uma combinação de propriedades nunca vista antes que resulta em um dos maiores efeitos Hall anômalos (AHEs) já observados; 15, 500 siemens por centímetro a 2 Kelvin.

Descoberto no laboratório do co-autor Prof. Tyrel McQueen na Johns Hopkins University, KV ₃ Sb ₅ combina quatro propriedades em um material:física de Dirac, magnetismo metálico frustrado, Esfolabilidade 2-D (como grafeno), e estabilidade química.

Física de Dirac, nesse contexto, relaciona-se ao fato de que os elétrons em KV ₃ Sb ₅ não são apenas seus elétrons comuns; eles estão se movendo extremamente rápido com massa efetiva muito baixa. Isso significa que eles estão agindo 'como leves'; suas velocidades estão se tornando comparáveis ​​à velocidade da luz e eles se comportam como se tivessem apenas uma pequena fração da massa que deveriam ter. Isso faz com que o material seja altamente metálico e foi mostrado pela primeira vez no grafeno há cerca de 15 anos.

O 'magnetismo frustrado' surge quando os momentos magnéticos em um material (imagine pequenas barras de ímãs que tentam girar um ao outro e se alinhar de norte a sul quando você os reúne) são arranjados em geometrias especiais, como redes triangulares. Este cenário pode tornar difícil para os ímãs em barra se alinharem de forma que todos se cancelem e fiquem estáveis. Os materiais que exibem esta propriedade são raros, especialmente os metálicos. A maioria dos materiais de ímã frustrados são isolantes elétricos, o que significa que seus elétrons são imóveis. "Os ímãs metálicos frustrados são muito procurados há várias décadas. Prevê-se que eles abriguem a supercondutividade não convencional, Férmions de Majorana, ser útil para computação quântica, e mais, "comentou o Dr. Ali.

Estruturalmente, KV ₃ Sb ₅ tem um 2-D, estrutura em camadas onde camadas triangulares de vanádio e antimônio se empilham livremente no topo das camadas de potássio. Isso permitiu aos autores simplesmente usar fita adesiva para descascar algumas camadas (a.k.a. flocos) de cada vez. "Isso foi muito importante porque nos permitiu usar litografia de feixe de elétrons (como fotolitografia que é usada para fazer chips de computador, mas usando elétrons em vez de fótons) para fazer dispositivos minúsculos com os flocos e medir propriedades que as pessoas não podem medir facilmente em massa ", observou o autor principal Shuo-Ying Yang, do Instituto Max Planck de Física da Microestrutura. "Ficamos entusiasmados ao descobrir que os flocos eram bastante estáveis ​​para o processo de fabricação, o que torna relativamente fácil trabalhar e explorar muitas propriedades ".

Armado com esta combinação de propriedades, a equipe primeiro escolheu procurar um efeito Hall anômalo (AHE) no material. Esse fenômeno ocorre quando os elétrons em um material com um campo elétrico aplicado (mas sem campo magnético) podem ser desviados em 90 graus por vários mecanismos. "Foi teorizado que metais com arranjos de spin triangulares poderiam hospedar um efeito extrínseco significativo, então foi um bom lugar para começar, "observou Yang. Usando espectroscopia de fotoelétrons de ângulo resolvido, fabricação de microdispositivos, e um sistema de medição de propriedade eletrônica de baixa temperatura, Shuo-Ying e o co-autor Yaojia Wang (Instituto Max Planck de Física da Microestrutura) foram capazes de observar um dos maiores AHE já vistos.

O AHE pode ser dividido em duas categorias gerais:intrínseco e extrínseco. "O mecanismo intrínseco é como se um jogador de futebol fizesse um passe para seu companheiro de equipe ao dobrar a bola, ou elétron, em torno de alguns defensores (sem colidir com eles), "explicou Ali." Extrínseco é como a bola quicando de um defensor, ou centro de espalhamento magnético, e indo para o lado após a colisão. Muitos materiais dominados extrinsecamente têm um arranjo aleatório de defensores no campo, ou centros de dispersão magnética diluídos aleatoriamente em todo o cristal. KV ₃ Sb ₅ é especial por ter grupos de 3 centros de dispersão magnética dispostos em uma rede triangular. Neste cenário, a bola se espalha para fora do agrupamento de defensores, ao invés de um único, e é mais provável que vá para o lado do que se apenas um estivesse no caminho. "

Este é essencialmente o mecanismo de dispersão AHE de distorção do cluster de spin teorizado que foi demonstrado pelos autores neste material. "No entanto, a condição com a qual a bola que chega atinge o cluster parece importar; você ou eu chutando a bola não é o mesmo que se, dizer, Christiano Ronaldo chutou a bola, "acrescentou Ali." Quando Ronaldo chuta, está se movendo muito mais rápido e ricocheteia no aglomerado com muito mais velocidade, movendo-se para o lado mais rápido do que se qualquer pessoa comum o tivesse chutado. Isto é, falando livremente, a diferença entre as quasipartículas de Dirac (Ronaldo) neste material vs elétrons normais (pessoa média) e está relacionada ao motivo pelo qual vemos um AHE tão grande, "Ali explicou rindo.

Esses resultados também podem ajudar os cientistas a identificar outros materiais com essa combinação de ingredientes. "Importante, a mesma física que rege este AHE também pode conduzir a um grande efeito Hall de spin (SHE) - onde, em vez de gerar uma corrente de carga ortogonal, uma corrente de spin ortogonal é gerada, "observou Wang." Isso é importante para as tecnologias de computação de próxima geração baseadas no spin de um elétron ao invés de sua carga ".

"Este é um novo material de playground para nós:física Dirac metálica, magnetismo frustrado, esfoliante, e quimicamente estável, tudo em um. Há muitas oportunidades para explorar a diversão, fenômenos estranhos, como supercondutividade não convencional e muito mais, "disse Ali, com entusiasmo.