Trabalhando com um material quântico conhecido como ímã kagome, uma equipe de físicos e colegas do Boston College mediram diretamente como os estados quânticos eletrônicos individuais no novo material respondem a campos magnéticos externos mudando a energia de uma maneira incomum, relatam os pesquisadores no último edição online da revista Nature Physics .
As medições geradas pelo projeto são as primeiras do tipo a medir diretamente a evolução induzida por campo e resolvida por momento desses estados quânticos, de acordo com a equipe, que colaborou com cientistas da Universidade Renmin em Pequim, China.

As descobertas ofereceram a primeira demonstração experimental de previsões teóricas sobre como a estrutura da banda eletrônica pode mudar nesses novos materiais, neste caso, cristais únicos de ítrio manganês estanho YMn₆ Sn₆ , de acordo com o professor associado de física do Boston College, Ilija Zeljkovic, principal coautor do relatório.

"Quando um campo magnético é aplicado a um material, a estrutura de banda eletrônica - que é uma coleção de estados quânticos que os elétrons em sólidos podem ocupar - pode mudar de maneiras incomuns", disse Zeljkovic. "Essas mudanças até agora foram inferidas a partir de cálculos teóricos ou acessadas indiretamente a partir de mudanças induzidas por campo em propriedades macroscópicas mensuráveis. A medição direta de mudanças induzidas por campo na estrutura de banda eletrônica tem sido difícil de medir."

A equipe superou os desafios experimentais de estudar o material por meio de microscopia de tunelamento de varredura de imagens espectroscópicas. Ímãs Kagome, como YMn₆ Sn₆ estudados pela equipe, são assim chamados porque possuem estrutura magnética e uma rede atômica que lembra cestas tecidas japonesas 'kagome'.

Os ímãs de Kagome abrigam os chamados férmions de Dirac, que Zeljkovic explicou serem quasipartículas caracterizadas por massa zero e uma dispersão linear de energia-momento em estrutura de banda eletrônica semelhante a partículas relativísticas.

Físicos teóricos como o colega e coautor de Zeljkovic, o professor de física do Boston College Ziqiang Wang, mostraram matematicamente que os férmions de Dirac podem evoluir – do ponto de vista da energia e do momento – em resposta a um campo magnético. A equipe começou a testar essas previsões, disse Zeljkovic.

A equipe descobriu que os estados quânticos associados aos férmions de Dirac respondem fortemente ao campo magnético, mudando para energias mais altas, independentemente da direção do campo, de acordo com a Nature Physics relatório, intitulado "Manipulação da curvatura da banda de Dirac e fator g dependente do momento em um ímã kagome".

"Curiosamente, eles exibem uma mudança dependente do momento - para um campo magnético definido, os estados quânticos próximos ao ponto de Dirac mudam mais; a mudança se torna progressivamente menor longe do ponto de Dirac", disse Zeljkovic. O ponto de Dirac é um ponto no espaço energia-momento onde as bandas de condução e valência se tocam.

Zeljkovic disse que a expectativa era de que o sistema sem campo magnético hospedasse férmions de Dirac sem massa - ou massa zero - com base na orientação dos spins situados principalmente no plano. Em vez disso, a equipe fez a observação surpreendente de que os férmions de Dirac neste material em campo zero têm massa finita. Por que isso ocorreu será uma questão para os teóricos explorarem ainda mais.

Do ponto de vista experimental, Zeljkovic disse que há muitas questões adicionais a serem resolvidas com base nessas descobertas. Especificamente, existem vários efeitos concorrentes que podem levar a uma evolução de banda dependente do momento, envolvendo spin do elétron e graus de liberdade orbital.

O magnetismo orbital em particular, uma propriedade que recentemente gerou atenção e entusiasmo entre os pesquisadores que estudam estruturas "torcidas" de van der Waals, é uma das possibilidades extremamente excitantes, disse Zeljkovic.

"Nossos experimentos futuros se concentrarão em desembaraçar diferentes contribuições e examinar o magnetismo orbital neste e em ímãs kagome relacionados", acrescentou Zeljkovic. + Explorar mais

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