Pesquisadores da Northeastern descobriram um novo fenômeno quântico em uma classe específica de materiais, chamados isolantes antiferromagnéticos, que podem gerar novas maneiras de alimentar dispositivos "spintrônicos" e outros dispositivos tecnológicos do futuro.
A descoberta ilumina "como o calor flui em um isolador magnético, [e] como [pesquisadores] podem detectar esse fluxo de calor", diz Gregory Fiete, professor de física da Northeastern e coautor da pesquisa. Os novos efeitos, publicados em Nature Physics esta semana e demonstrado experimentalmente, foram observados combinando ferrita de lantânio (LaFeO₃ ) com uma camada de platina ou tungstênio.

"Esse acoplamento em camadas é o responsável pelo fenômeno", diz Arun Bansil, ilustre professor universitário do Departamento de Física do Nordeste, que também participou do estudo.

A descoberta pode ter inúmeras aplicações potenciais, como melhorar sensores de calor, reciclagem de calor residual e outras tecnologias termoelétricas, diz Bansil. Esse fenômeno pode até levar ao desenvolvimento de uma nova fonte de energia para essas – e outras – tecnologias emergentes. O estudante de pós-graduação nordestino Matt Matzelle e Bernardo Barbiellini, físico computacional e teórico da Lappeenranta University of Technology, que atualmente está visitando o Nordeste, participaram da pesquisa.

Ilustrar as descobertas das equipes requer uma ampliação considerável (literalmente) para observar o mundo das partículas em escala atômica – especificamente, nas nano-vidas dos elétrons. Também requer uma compreensão de várias propriedades dos elétrons - que eles possuem algo chamado "spin", têm uma carga e podem, ao se moverem através de um material, gerar fluxo de calor.

O spin do elétron, ou momento angular, descreve uma propriedade fundamental dos elétrons definida em um dos dois estados potenciais:Para cima ou para baixo. Existem muitas maneiras diferentes pelas quais esses spins "para cima ou para baixo" dos elétrons (também chamados de pólos norte-sul) se orientam no espaço, o que, por sua vez, dá origem a diferentes tipos de magnetismos. Tudo depende, diz Bansil, das formas como os átomos são padronizados em um determinado material.

Em um sistema magnético, normalmente os spins desse material se alinham na mesma direção. Esse arranjo de elétrons em cristais magnéticos (ou "ferromagnéticos") é o que produz essa força que atrai ou repele outros cristais. Muitos materiais magnéticos também conduzem eletricidade quando os elétrons são capazes de fluir através deles. Esses materiais são chamados de condutores, pois são capazes de conduzir eletricidade.

Além de gerar uma corrente elétrica, o movimento de elétrons através de um material também carrega uma corrente de calor. Quando um campo eletromagnético externo é aplicado a materiais que conduzem eletricidade, resulta uma corrente de calor.

“O calor é apenas quando esses elétrons estão balançando mais rápido ou mais devagar, então, como resultado, eles podem transportar mais ou menos energia térmica”, diz Bansil.

Normalmente, a corrente de spin flui na mesma direção da corrente de calor, diz Bansil. Mas, nos materiais específicos usados ​​neste estudo, "flui perpendicularmente à direção da corrente de calor".

"Isso é o que há de novo aqui", diz Bansil.

É essa interação "inesperada" que abre as portas para novas formas de pensar a geração de energia.

"O que queremos fazer é criar uma corrente de magnetismo que gere energia elétrica, e a maneira como você faz isso é gerando uma tensão", diz Fiete.

Para isso, os pesquisadores combinaram o material isolante antiferromagnético (aqui LaFeO3) com outro elemento mais pesado, como platina ou tungstênio, que são condutores. O acoplamento joga os elétrons ligeiramente fora de ordem.

"Este material em particular tem os spins que são, em átomos vizinhos mais próximos, quase perfeitamente anti-orientados", diz Fiete, "o que significa que eles são um pouco inclinados. Eles não são perfeitamente anti-orientados - eles são principalmente, mas há uma pequena reviravolta. E esse pequeno deslocamento é realmente muito importante, porque é parte do que dá origem aos efeitos interessantes que vemos no projeto."

É isso que dá nome a esta classe particular de materiais:Antiferromagneto Canted.

Uma classe emergente de dispositivos eletrônicos, os chamados "spintrônicos", dependem da manipulação do spin do elétron com o objetivo de melhorar as capacidades de processamento de informações em tecnologias futuras. Outro campo relacionado, chamado caloritrônica de spin, concentra-se em "como você converte o fluxo de calor no fluxo de magnetismo, ou fluxo de spin e, finalmente, em uma voltagem", diz Fiete.

“A física quântica dos materiais é de particular interesse porque se conecta diretamente com muitas tecnologias:tecnologias em computação quântica, sensoriamento quântico e comunicações quânticas”, diz Fiete. "E a ideia que está realmente ganhando força... agora é:como fazemos a transição da pesquisa da universidade, como o tipo em que minha equipe está envolvida, para tecnologias que afetarão a maneira como vivemos nossas vidas?" + Explorar mais

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