Férmions compostos são quase-partículas exóticas encontradas em sistemas de férmions 2-D em campos magnéticos perpendiculares relativamente grandes. Essas quase-partículas, que são compostos por um elétron e dois quanta de fluxo magnético, têm sido freqüentemente usados ​​para descrever um fenômeno físico conhecido como efeito Hall quântico fracionário.

Pesquisadores da Princeton University e da Pennsylvania State University recentemente usaram férmions compostos para testar uma teoria introduzida pelo físico Felix Bloch quase um século atrás, sugerindo que em densidades muito baixas, um "mar" de elétrons de Fermi paramagnético deve transitar espontaneamente para um estado totalmente magnetizado, que agora é conhecido como ferromagnetismo de Bloch. Seu papel, publicado em Física da Natureza , fornece evidências de uma transição abrupta para a magnetização total que está intimamente alinhada com o estado teorizado por Bloch.

"Os férmions compostos são realmente notáveis, "Mansour Shayegan, professor de Engenharia Elétrica da Universidade de Princeton e um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org. "Eles nascem da interação e do fluxo magnético, no entanto, eles mapeiam um sistema tão complexo para uma coleção simples de quase-partículas que, em grande parte, se comportam como não interagentes e também como se não sentissem o grande campo magnético. Uma de suas propriedades mais interessantes é a polarização do spin. "

Quando fortes campos magnéticos são aplicados a eles e a energia Zeeman é predominante, férmions compostos são conhecidos por se tornarem totalmente polarizados por spin (isto é, totalmente magnetizado). Em campos magnéticos mais baixos, por outro lado, eles são tipicamente apenas parcialmente magnetizados, já que a energia de Coulomb desempenha um papel consideravelmente maior.

Fascinado por esta característica única dos férmions compostos, Shayegan e seus colegas começaram a sondar e investigar mais a fundo. Para fazer isso, eles usaram uma técnica para medir diretamente a polarização do spin que depende do transporte balístico (sem colisão) de férmions compostos em distâncias relativamente longas, da ordem de 0,2 mícron.

"Vimos que, à medida que diminuímos a densidade dos férmions compostos (e, portanto, o campo magnético no qual eles são formados), eles realmente perderam sua polarização de spin total, como esperado, "Shayegan disse." Mas então veio uma surpresa completamente inesperada:conforme reduzíamos a densidade ainda mais, de repente, os férmions compostos tornaram-se totalmente polarizados por spin novamente. Tínhamos um palpite de que isso pode ser resultado da fraca interação "residual" entre os férmions compostos, mas não fomos capazes de provar isso. "

Se o fenômeno observado por Shayegan e sua equipe sim, na verdade, resultam das fracas interações residuais entre diferentes férmions compostos, este fenômeno seria altamente reminiscente do ferromagnetismo de Bloch, o estado previsto por Bloch em 1929. Notavelmente, este efeito provou até agora ser muito difícil de demonstrar experimentalmente.

"A chave para o sucesso de nossos experimentos foi a disponibilidade de dopados com modulação, estruturas semicondutoras de arsenieto de gálio / alumínio-arsenieto de gálio de qualidade extremamente alta, "Shayegan disse." Estes foram cultivados, usando epitaxia de feixe molecular por nosso colega de Princeton Loren Pfeiffer e seu grupo. "

Para obter mais informações sobre se o fenômeno que observaram era realmente comparável ao ferromagnetismo de Bloch, Shayegan e sua equipe entraram em contato com Jainendra Jain, um físico teórico na Pennsylvania State University. Jain e seus alunos, Tongzhou Zhao e Songyang Pu, realizou uma série de cálculos com o objetivo de verificar a validade das hipóteses dos pesquisadores.

"Quando meus colegas de Princeton me contaram sobre o resultado experimental, foi uma surpresa total, "Disse Jain." O modelo de férmions compostos livres funciona tão bem para o mar de Fermi no nível de Landau cheio pela metade, que eu não esperava física do tipo Bloch aqui; tal comportamento certamente não foi previsto por nenhuma teoria existente. Este é um problema muito complexo de resolver teoricamente, porque se relaciona a mudanças muito pequenas na energia em função da densidade. "

Para obter uma compreensão teórica do fenômeno observado por Shayegan e sua equipe, Jain e seus alunos usaram uma ferramenta conhecida como método de 'difusão de fase fixa Monte Carlo'. Quando eles aplicaram esta construção teórica ao problema em questão, eles descobriram que o estado ferromagnético era predominante abaixo de uma densidade crítica.

Além disso, Jain e seus alunos descobriram que o valor da densidade crítica derivado de seus cálculos era próximo ao valor observado por seus colegas de Princeton. Seus resultados, portanto, suportam a hipótese de que o estado observado se assemelha ao ferromagnetismo de Bloch.

"A física subjacente revelou ser semelhante à dos elétrons em campo magnético zero, "Jain explicou." A energia de interação dos férmions compostos prefere o estado ferromagnético, enquanto sua energia cinética, o estado paramagnético. À medida que a densidade diminui, em algum ponto a energia de interação vence, causando uma transição para uma fase totalmente ferromagnética. "

Sistemas simples com elétrons interagindo são muito comuns e férmions interagindo são encontrados em todos os metais, portanto, esses sistemas costumam ser o foco dos estudos de física. Embora tenham sido amplamente investigados, O ferromagnetismo de Bloch nesses sistemas ainda não foi claramente observado.

Essa equipe de pesquisadores foi uma das primeiras a observar um efeito que lembra o ferromagnetismo de Bloch. Além disso, eles observaram este efeito em um conjunto incomum de quase-partículas (ou seja, um mar Fermi de férmions compostos), o que foi surpreendente e inesperado.

"A teoria dos férmions compostos está bem estabelecida, "Md Shafayat Hossain, o principal autor do estudo, disse Phys.org. "A maioria da fenomenologia em teoria e experimentos envolvendo os férmions compostos pode ser entendida sem qualquer interação entre os férmions compostos. Portanto, esta é talvez a última plataforma onde se espera encontrar assinaturas de interações fortes. Surpreendentemente, Contudo, nossos experimentos revelam que os férmions compostos sofrem ferromagnetismo de Bloch, que é uma manifestação prototípica de forte interação de interfermions. "

O trabalho recente de Shayegan, Jain, Hossain e seus colegas produziram uma série de resultados interessantes, que têm implicações importantes tanto para o estudo do ferromagnetismo de Bloch quanto para os férmions compostos. Por um lado, demonstra a existência de uma transição induzida por interação para o ferromagnetismo que está alinhada com o fenômeno previsto por Bloch em 1929.

Por outro lado, o artigo recente aprimora a compreensão atual dos férmions compostos, pois mostra que em densidades muito baixas essas quase-partículas podem ter fortes interações umas com as outras. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam continuar procurando por ferromagnetismo de Bloch em férmions, especificamente em condições caracterizadas por campo magnético zero.

"Quando um sistema de elétrons é diluído o suficiente para que a energia de Coulomb domine a energia cinética (Fermi), os elétrons devem alinhar seus spins e ficar totalmente magnetizados, "Shayegan disse." Este é o problema original que Bloch, e mais tarde Edmund Stoner (em 1947), e outros discutidos; um clássico, problema de livro que escapou aos experimentos. O desafio experimental é tornar o sistema eletrônico muito diluído, e ainda manter o potencial de desordem (que compete com a interação de Coulomb e deseja encapsular elétrons em locais aleatórios) em um nível mínimo. Nós pensamos com novo, sistemas de elétrons dopados por modulação, há uma chance de finalmente definir a transição de Bloch para elétrons de campo zero. "

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