Arcos de Fermi recém-descobertos que podem ser controlados através do magnetismo podem ser o futuro da eletrônica baseada em spins de elétrons. Esses novos arcos de Fermi foram descobertos por uma equipe de pesquisadores do Ames Laboratory e da Iowa State University, além de colaboradores dos Estados Unidos, Alemanha e Reino Unido. Durante a investigação do monopnictídeo de terras raras NdBi (neodímio-bismuto), a equipe de pesquisa descobriu um novo tipo de arco de Fermi que apareceu em baixas temperaturas quando o material se tornou antiferromagnético, ou seja, spins vizinhos apontam em direções opostas.
As superfícies de Fermi em metais são uma fronteira entre estados de energia que são ocupados e desocupados por elétrons. As superfícies de Fermi são normalmente contornos fechados formando formas como esferas, ovóides, etc. Os elétrons na superfície de Fermi controlam muitas propriedades dos materiais, como condutividade elétrica e térmica, propriedades ópticas, etc. Em ocasiões extremamente raras, a superfície de Fermi contém segmentos desconectados que são conhecidos como arcos de Fermi e frequentemente estão associados a estados exóticos como a supercondutividade.

Adam Kaminski, líder da equipe de pesquisa, explicou que os recém-descobertos arcos de Fermi são o resultado da divisão da banda de elétrons, que resulta da ordem magnética dos átomos de Nd que compõem 50% da amostra. No entanto, a divisão de elétrons que a equipe observou no NdBi não era um comportamento típico de divisão de banda.

Existem dois tipos estabelecidos de separação de bandas, Zeeman e Rashba. Em ambos os casos, as bandas mantêm sua forma original após a divisão. A divisão de banda que a equipe de pesquisa observou resultou em duas bandas de formas diferentes. À medida que a temperatura da amostra diminuiu, a separação entre essas bandas aumentou e os formatos das bandas mudaram, indicando uma mudança na massa dos férmions.

"Essa divisão é muito, muito incomum, porque não apenas a separação entre essas bandas aumenta, mas também altera a curvatura", disse Kaminski. "Isso é muito diferente de qualquer outra coisa que as pessoas observaram até hoje."

Os casos previamente conhecidos de arcos de Fermi em semimetais de Weyl persistem porque são causados ​​pela estrutura cristalina do material que é difícil de controlar. No entanto, os arcos de Fermi que a equipe descobriu em NdBi são induzidos pelo ordenamento magnético dos átomos de Nd na amostra. Essa ordem pode ser facilmente alterada pela aplicação de um campo magnético e, possivelmente, pela troca do íon Nd por outro íon de terras raras, como cério, praseodímio ou samário (Ce, Pr ou Sm). Como o Ames Lab é líder mundial em pesquisa de terras raras, tais mudanças na composição podem ser facilmente exploradas.

"Este novo tipo de arcos de Fermi aparece sempre que a amostra se torna antiferromagnética. Então, quando a amostra desenvolve ordem magnética, esses arcos aparecem aparentemente do nada", disse Kaminski.

De acordo com Kaminski, outra característica importante desses novos arcos de Fermi é que eles têm o que é chamado de textura de spin. Em metais normais, cada estado eletrônico é ocupado por dois elétrons, um com spin para cima e outro com spin para baixo, então não há spin líquido. Os arcos de Fermi recém-descobertos têm orientação única de rotação em cada um de seus pontos. Como eles existem apenas em um estado ordenado magneticamente, os arcos podem ser ligados e desligados muito rapidamente aplicando um pulso magnético, por exemplo, de um laser ultrarrápido.

"Ter uma decoração de spin ou textura de spin é importante porque uma das missões da eletrônica é se afastar da eletrônica baseada em carga. Tudo o que você usa agora é baseado na movimentação de elétrons em fios e isso causa dissipação", disse Kaminski.

A capacidade de controlar o spin dos elétrons está relacionada a um novo ramo da tecnologia da informação chamado spintrônica, que se baseia no spin do elétron e não no movimento de cargas ao longo dos fios.

"Em vez de mover uma carga, invertemos a orientação do spin ou causamos a propagação do spin ao longo do fio", explicou Kaminski. "Essas mudanças de spin tecnicamente não devem dissipar energia, então não custa muita energia armazenar informações como spin ou mover informações como spin."

Kaminski enfatizou a importância dessa descoberta para o campo, mas disse que ainda há muito trabalho a ser feito antes que essas descobertas possam ser usadas em novas tecnologias.

Essa pesquisa é discutida em mais detalhes no artigo "Emergence of Fermi arcs due to magnetic splitting in an antiferromagnenet", de autoria de B. Schrunk, Y. Kushnirenko, B. Kuthanazhi, J. Ahn, L.-L. Wang, E. O'Leary, K. Lee, A. Eaton, a. Fedorov, R. Lou, V. Voroshnin, O.J. Clark, J. Sanchez-Barriga, S.L. Bud'ko, R.-J. Slager, P. C. Canfield e A. Kaminski; e publicado na Natureza . + Explorar mais

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