Seja olhando para o espaço ou espiando profundamente no reino microscópico, sempre há mais para ver. No caso dos sólidos, existe um mundo de átomos e partículas repletos de atividade que, em última análise, leva a propriedades úteis como condução elétrica, magnetismo e isolamento.
Uma das ferramentas mais poderosas para ver o invisível é um microscópio de tunelamento de varredura ou STM para abreviar. Em vez de uma lente óptica, seu olho poderoso vem de uma corrente elétrica que passa entre a ponta do microscópio e o material da amostra. A ponta varre a amostra e produz um sinal que muda com base em como os átomos estão organizados dentro de um determinado material. Em conjunto, as varreduras mapeiam superfícies com resolução subnanométrica, revelando elétrons e localizações de átomos únicos.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores do IQUIST da Universidade de Illinois Urbana-Champaign adicionou um toque especial ao seu STM, substituindo a ponta por um nanofio feito de um material exótico, hexaboreto de samário (SmB₆ ). Eles usam o nanofio para obter imagens magnéticas em uma abordagem que tem vantagens potenciais em comparação com outros métodos. Conforme publicado na edição de 9 de setembro da Science, suas medições e cálculos combinados mostraram evidências da natureza incomum do próprio nanofio.

"Lin Jiao, um ex-pós-doc em nosso grupo, propôs a ideia de que esse tipo de ponta de nanofio pode nos dar uma resposta sim ou não sobre se um material é magnético ou não", disse Vidya Madhavan, membro do IQUIST, um professor de física e autor correspondente no papel. "Para nossa surpresa, Anuva Aishwarya, estudante de pós-graduação do grupo, mostrou que essas dicas podem dar muito mais informações do que isso."

No coração de um STM está um efeito que permite que os elétrons "túneis" através de uma barreira. Os elétrons são partículas fundamentais governadas pela física quântica e podem agir como ondas. Ao contrário das ondas da água, os elétrons não necessariamente se dissipam ou retornam completamente quando atingem uma superfície. À medida que encontram uma barreira superfina, um pouco da onda pode vazar em um processo chamado tunelamento quântico. Em um STM, há uma lacuna entre a ponta do microscópio e o material da amostra. Os elétrons podem fazer um túnel através dessa lacuna, criando um sinal elétrico que, por sua vez, contém informações sobre a amostra.

Além da carga, os elétrons têm uma propriedade chamada spin, que pode ser representada como uma seta ligada ao elétron. Normalmente, as correntes elétricas podem conter elétrons com seus spins apontados em direções aleatórias. Mas os cientistas podem persuadir alguns materiais a transportar correntes com a direção de rotação bloqueada. Por exemplo, correntes de spin fixo (polarizadas) em STMs podem ser geradas com uma combinação de pontas magnéticas e ímãs externos. Infelizmente, os ímãs adicionados podem ser invasivos e podem afetar inadvertidamente os átomos da amostra. No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem diferente para criar correntes polarizadas por spin.

Em vez de empregar uma ponta magnética, a equipe usou SmB não magnético₆ . Cerca de uma década atrás, os cientistas previram que este material poderia ser um isolante topológico Kondo, que deveria ter correntes polarizadas de spin invulgarmente estáveis ​​sem quaisquer ímãs adicionados. Assim, na superfície do SmB₆ correntes elétricas que se movem para a direita devem ter elétrons com spin para cima e vice-versa para correntes para a esquerda. As correntes podem até sobreviver diante de defeitos indesejados no material. Esta é uma característica geral dos isoladores topológicos, mas os cientistas enfrentaram desafios para traduzir essa física bastante exótica em aplicações de tecnologia do mundo real. Além disso, os cientistas ainda estão tentando entender as diferentes variedades de materiais topológicos. Este novo estudo fornece fortes evidências de que SmB₆ é de fato um isolante topológico Kondo e coloca suas correntes peculiares para trabalhar simplificando a imagem magnética.

No laboratório de Madhavan, a equipe usou nanofabricação para modificar o STM. Zhuozhen (um aluno de graduação do grupo) orientado por Lin, passou centenas de horas em uma sala limpa desenvolvendo esse procedimento. Primeiro, eles usaram um feixe de íons para cortar a ponta normal, que é feita de tungstênio. Em seguida, eles incorporaram o nanofio em uma trincheira com apenas algumas centenas de nanômetros de largura. Os fios tinham cerca de 60 a 100 nanômetros de diâmetro, aproximadamente o tamanho de alguns vírus.

Eles escanearam a ponta na superfície do telureto de ferro, que é um antiferromagneto. Esses materiais têm regiões alternadas de elétrons com spin para cima e para baixo, e a magnetização geral se cancela. Isso contrasta com os ímãs de barra comuns mais familiares, que têm todos os spins dos elétrons apontados em uma única direção. Imagens STM anteriores com pontas magnéticas mostraram listras claro-escuro-claro, o que significa que a amostra é antiferromagnética. A equipe coletou imagens semelhantes com a nova configuração de nanofios não magnéticos, que indicou que os elétrons de tunelamento do SmB₆ foram spin-polarizados. Quando a ponta estava sobre uma região do antiferromagneto com spins que combinavam com a orientação dos spins da corrente de superfície, o sinal aumentava; caso contrário, diminuiu. O STM mapeou essas variações à medida que escaneava a amostra e mostrava padrões claros correspondentes às listras de rotação alternada.

Para confirmar ainda mais que os sinais de nanofios estavam relacionados às correntes incomuns de SmB₆ , a equipe aqueceu o experimento acima de 10 Kelvin. A esta temperatura, SmB₆ deixará de ser um isolante topológico Kondo e perderá suas correntes de spin de superfície. Crucialmente, o STM não observou mais nenhuma faixa antiferromagnética, mesmo que o ordenamento magnético da amostra sobreviva a essa temperatura. Eles descobriram que as correntes polarizadas por spin simplesmente não estavam presentes no nanofio acima dessa temperatura. A equipe realizou uma terceira verificação das correntes polarizadas por spin, alterando a direção da tensão aplicada à ponta do nanofio. Isso inverteu a direção da corrente de tunelamento entre o STM e a amostra. As imagens STM mostraram que o contraste nas imagens é invertido, o que só pode acontecer se os elétrons do tunelamento tiverem polarização de spin que inverte quando a corrente muda de direção. Juntas, essas evidências mostraram a natureza exótica do SmB₆ .

"Podemos mudar o nanofio na ponta para um material diferente, o que nos permitiria investigar outros aspectos potencialmente incomuns de nossa amostra", disse Anuva Aishwarya, principal autora e estudante de pós-graduação em física do grupo de Madhavan. "Estou muito animado com isso porque abre as portas para uma nova técnica de detecção em nanoescala!"

As propriedades da ponta foram surpreendentemente repetíveis, disse Madhavan. A equipe pode até expor os nanofios ao ar e eles consistentemente se saíram bem no STM. Ainda não se sabe muito sobre SmB₆ , mas seu desempenho robusto combinado com os dados de medição é consistente com as previsões sobre sua natureza topológica.

"Esta técnica é talvez a primeira aplicação real de um isolador topológico e, notavelmente, para que funcione, é crucial que a origem da topologia seja de fortes interações de muitos elétrons, como esperado em SmB₆ ", disse Taylor Hughes, membro do IQUIST, professor de física e coautor do estudo.

Em estudos futuros, a equipe planeja modificar o nanofio para ver se ele pode revelar ainda mais recursos do material. Por exemplo, eles estão interessados ​​em criar e detectar entidades exóticas semelhantes a partículas, como os férmions de Majorana, que há muito são propostos como base para novos dispositivos de computação quântica. + Explorar mais

Um novo caminho para correntes polarizadas por spin