Verificação experimental de nós de Weyl em dissulfeto de cobalto, em comparação com a previsão teórica. Crédito:Departamento de Química de Princeton, Schoop Lab
Liderando uma colaboração de instituições nos EUA e no exterior, o Departamento de Química da Universidade de Princeton está relatando novas propriedades topológicas da pirita magnética Dissulfeto de cobalto (CoS 2 ) que expandem nossa compreensão dos canais elétricos neste material há muito investigado.
Usando espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo e cálculos ab-initio, pesquisadores que trabalham com o Laboratório Schoop descobriram a presença de nós de Weyl em CoS2 em massa que lhes permite fazer previsões sobre suas propriedades de superfície. O material hospeda os estados de superfície de Weyl-férmions e Fermi-arc dentro de sua estrutura de banda, o que pode habilitá-lo a servir como uma plataforma para fenômenos exóticos e colocá-lo entre os materiais candidatos para uso em dispositivos spintrônicos.
A pesquisa também resolve um debate antigo, provando que CoS 2 não é um verdadeiro meio-metal. Meio-metal é qualquer substância que atue como condutor para elétrons de uma orientação de spin, mas como isolante ou semicondutor para os de orientação oposta. Embora todos os semimetais sejam ferromagnéticos, a maioria dos ferromagnetos não são meio-metais. Esta descoberta de que CoS 2 não é um meio-metal tem implicações importantes para materiais e engenharia de dispositivos.
Leslie Schoop, professor assistente de química na Princeton Chemistry, chamou o trabalho de "uma redescoberta da nova física em um material antigo". A pesquisa foi publicada esta semana em Avanços da Ciência .
CoS 2 tem sido objeto de estudo por muitas décadas devido ao seu magnetismo itinerante, e desde o início dos anos 2000 - antes que os isoladores topológicos fossem previstos e descobertos - por causa de seu potencial para ser um meio-metal. Os pesquisadores ficaram "felizes" em encerrar a última discussão.
Por meio da pesquisa Schoop, o material foi descoberto como um raro exemplo daquele grupo de metais topológicos magnéticos propostos como agentes de conversão de carga em spin. Ao desemaranhar o volume e a estrutura eletrônica de superfície do CoS 2 , pesquisadores demonstraram que existe uma relação entre canais eletrônicos no material interno que podem prever outros estados em sua superfície. Em um material, uma corrente elétrica pode passar pela massa ou fluir ao longo da superfície. Os pesquisadores descobriram que CoS em massa 2 contém objetos chamados de nós de Weyl em sua estrutura que servem como canais eletrônicos que podem prever outros estados na superfície.
"A bela física aqui é que você tem esses nós de Weyl que exigem estados de superfície polarizados de spin. Eles podem ser colhidos para aplicações spintrônicas, "disse Schoop.
"Esses estados eletrônicos que existem apenas na superfície têm quiralidade associada a eles, e por causa dessa quiralidade, os elétrons também podem se mover apenas em certas direções, "ela acrescentou." Algumas pessoas pensam em usar esses estados quirais em outras aplicações. Não existem muitos materiais magnéticos onde estes foram encontrados antes. "
A quiralidade se refere àquela propriedade que torna um objeto ou sistema indistinguível de sua imagem no espelho - ou seja, não sobreponíveis - e é uma propriedade importante em muitos ramos da ciência.
Schoop acrescentou que os canais eletrônicos são polarizados. Este magnetismo pode ser usado para manipular o material:os cientistas podem mudar a direção da magnetização e os estados da superfície podem então ser reconfigurados como uma resposta a este campo magnético aplicado.
Artigo co-autoria Maia Vergniory, do Donostia International Physics Center na Espanha, adicionado, "Existem apenas alguns materiais magnéticos que foram medidos para ter esses estados de superfície, ou arcos de Fermi, e este é como o quarto, direito? Então, é realmente incrível que pudéssemos medir e compreender os canais espinhosos em um material que era conhecido há tanto tempo. "
Como colegas em 2016, Schoop e Vergniory discutiram a investigação das propriedades materiais de CoS 2 , particularmente se poderia ser classificado como um verdadeiro semimetal. A investigação passou por várias iterações depois que Schoop chegou a Princeton em 2017, e foi trabalhado por alunos de pós-graduação em Schoop e em Vergniory em Donostia.
Niels Schröter, um colega do Instituto Paul Scherrer na Suíça e principal autor do artigo, supervisionou a equipe da Swiss Light Source que mapeou os nós materiais de Weyl.
"O que queríamos medir não era apenas a estrutura eletrônica de superfície, "disse Schröter." Também queríamos aprender algo sobre as propriedades eletrônicas em massa, e para obter essas duas informações complementares, tivemos que usar a linha de luz especializada ADRESS na Swiss Light Source para sondar os elétrons em grande parte do material. "
Schröter explicou como os engenheiros podem construir um dispositivo no futuro usando esse material.
“Você colocaria este material em contato com outro material, por exemplo, com um isolante magnético ou algo parecido em que você deseja criar ondas magnéticas ao passar uma corrente elétrica por ele.
"A beleza desses materiais topológicos é que esses elétrons interfaciais que podem ser usados para injeção de spin, eles são muito robustos. Você não pode se livrar deles facilmente. É aqui que esses campos da topologia e spintrônica podem se encontrar, porque a topologia é talvez uma maneira de garantir que esses estados de interface polarizados de spin em contato com outros materiais magnéticos que você gostaria de controlar com correntes ou campos. "
Schoop adicionado, "Acho que esse tipo de redescoberta neste material muito antigo e bem estudado é muito emocionante, e estou feliz por ter esses dois colaboradores incríveis que ajudaram a resolver isso. "
