Há agora uma nova adição à família magnética:graças a experiências na Swiss Light Source SLS, os investigadores provaram a existência do altermagnetismo. A descoberta experimental deste novo ramo do magnetismo é relatada na Nature e significa uma nova física fundamental, com grandes implicações para a spintrônica.



O magnetismo é muito mais do que apenas coisas que grudam na geladeira. Essa compreensão veio com a descoberta dos antiferromagnetos há quase um século. Desde então, a família dos materiais magnéticos foi dividida em duas fases fundamentais:o ramo ferromagnético conhecido há vários milênios e o ramo antiferromagnético.

A prova experimental de um terceiro ramo do magnetismo, denominado altermagnetismo, foi feita na Swiss Light Source SLS, por uma colaboração internacional liderada pela Academia Checa de Ciências em conjunto com o Instituto Paul Scherrer PSI.

As fases magnéticas fundamentais são definidas pelos arranjos espontâneos específicos dos momentos magnéticos – ou spins dos elétrons – e dos átomos que carregam os momentos nos cristais.

Ferroímãs são o tipo de ímã que gruda na geladeira:aqui os giros apontam na mesma direção, conferindo magnetismo macroscópico. Em materiais antiferromagnéticos, os spins apontam em direções alternadas, fazendo com que os materiais não possuam magnetização líquida macroscópica – e, portanto, não grudem na geladeira. Embora outros tipos de magnetismo, como o diamagnetismo e o paramagnetismo tenham sido categorizados, estes descrevem respostas específicas a campos magnéticos aplicados externamente, em vez de ordenações magnéticas espontâneas em materiais.

Os alterímãs possuem uma combinação especial de arranjo de spins e simetrias de cristal. Os spins se alternam, como nos antiferromagnetos, resultando em nenhuma magnetização líquida. No entanto, em vez de simplesmente se anularem, as simetrias fornecem uma estrutura de banda eletrônica com forte polarização de spin que muda de direção conforme você passa pelas bandas de energia do material – daí o nome alterímãs. Isso resulta em propriedades altamente úteis, mais semelhantes aos ferromagnetos, bem como em algumas propriedades completamente novas.

Um irmão novo e útil

Este terceiro irmão magnético oferece vantagens distintas para o campo em desenvolvimento da tecnologia de memória magnética de próxima geração, conhecida como spintrônica. Enquanto a eletrônica utiliza apenas a carga dos elétrons, a spintrônica também explora o estado de spin dos elétrons para transportar informações.

Embora a spintrônica tenha prometido há alguns anos revolucionar a TI, ela ainda está em sua infância. Normalmente, ferromagnetos têm sido usados ​​para tais dispositivos, pois oferecem certos fenômenos físicos fortemente dependentes de spin altamente desejáveis. No entanto, a magnetização macroscópica da rede, que é útil em tantas outras aplicações, impõe limitações práticas à escalabilidade destes dispositivos, uma vez que causa interferência entre bits – os elementos que transportam informações no armazenamento de dados.

Mais recentemente, os antiferromagnetos foram investigados para spintrônica, pois se beneficiam por não terem magnetização líquida e, portanto, oferecem ultraescalabilidade e eficiência energética. No entanto, faltam os fortes efeitos dependentes do spin que são tão úteis nos ferromagnetos, dificultando novamente a sua aplicabilidade prática.

Aqui entram os alterímãs com o melhor de ambos:magnetização líquida zero, juntamente com os cobiçados fenômenos fortes dependentes de spin, normalmente encontrados em ferromagnetos - méritos que foram considerados principalmente incompatíveis.

“Essa é a magia dos alterímanes”, diz Tomáš Jungwirth, do Instituto de Física da Academia Checa de Ciências, investigador principal do estudo. "Algo que as pessoas acreditavam ser impossível até que previsões teóricas recentes [mostraram que] é de fato possível."

A pesquisa está ativada

Os rumores de que um novo tipo de magnetismo estava à espreita começaram não muito tempo atrás:em 2019, Jungwirth, juntamente com colegas teóricos da Academia Tcheca de Ciências e da Universidade de Mainz, identificaram uma classe de materiais magnéticos com uma estrutura de spin que não se enquadrava nas descrições clássicas. de ferromagnetismo ou antiferromagnetismo.

Em 2022, os teóricos publicaram as suas previsões sobre a existência do altermagnetismo. Eles descobriram mais de duzentos candidatos altermagnéticos em materiais que vão desde isolantes e semicondutores até metais e supercondutores. Muitos destes materiais foram bem conhecidos e extensivamente explorados no passado, sem se notar a sua natureza altermagnética. Devido às enormes oportunidades de pesquisa e aplicação que o altermagnetismo apresenta, essas previsões causaram grande entusiasmo na comunidade. A busca estava iniciada.

Os raios X fornecem a prova

A obtenção de prova experimental direta da existência do altermagnetismo exigiu a demonstração das características únicas de simetria de spin previstas em altermagnetos. A prova veio usando espectroscopia de fotoemissão com resolução de spin e ângulo no SIS (estação final COPHEE) e linhas de luz ADRESS do SLS. Esta técnica permitiu à equipe visualizar uma característica reveladora na estrutura eletrônica de um suposto alterímã:a divisão de bandas eletrônicas correspondentes a diferentes estados de spin, conhecida como levantamento da degeneração do spin de Kramer.

A descoberta foi feita em cristais de telureto de manganês, um conhecido material simples de dois elementos. Tradicionalmente, o material tem sido considerado um antiferromagneto clássico porque os momentos magnéticos nos átomos vizinhos de manganês apontam em direções opostas, gerando uma magnetização líquida evanescente.

No entanto, os antiferromagnetos não devem exibir degenerescência do spin de Kramers pela ordem magnética, enquanto os ferromagnetos ou altermagnetos deveriam. Quando os cientistas viram o levantamento da degeneração do spin de Kramer, acompanhado pelo desaparecimento da magnetização líquida, eles sabiam que estavam olhando para um alterímã.

"Graças à alta precisão e sensibilidade de nossas medições, pudemos detectar a divisão alternada característica dos níveis de energia correspondentes a estados de spin opostos e, assim, demonstrar que o telureto de manganês não é um antiferromagneto convencional nem um ferromagneto convencional, mas pertence ao novo ramo altermagnético de materiais magnéticos", diz Juraj Krempasky, cientista de linhas de luz do Beamline Optics Group da PSI e primeiro autor do estudo.

As linhas de luz que permitiram esta descoberta estão agora desmontadas, aguardando a atualização do SLS 2.0. Após vinte anos de sucesso científico, a estação final COPHEE será completamente integrada na nova linha de luz "QUEST". “Foi com os últimos fótons de luz no COPHEE que fizemos esses experimentos. O fato de eles terem proporcionado um avanço científico tão importante é muito emocionante para nós”, acrescenta Krempasky.

"Agora que trouxemos isso à luz, muitas pessoas ao redor do mundo poderão trabalhar nisso."

Os investigadores acreditam que esta nova descoberta fundamental no magnetismo irá enriquecer a nossa compreensão da física da matéria condensada, com impacto em diversas áreas de investigação e tecnologia. Além das suas vantagens para o campo em desenvolvimento da spintrónica, também oferece uma plataforma promissora para explorar a supercondutividade não convencional, através de novos conhecimentos sobre estados supercondutores que podem surgir em diferentes materiais magnéticos.

"Na verdade, o altermagnetismo não é algo extremamente complicado. É algo totalmente fundamental que esteve diante dos nossos olhos durante décadas sem percebermos", diz Jungwirth. "E não é algo que existe apenas em alguns materiais obscuros. Existe em muitos cristais que as pessoas simplesmente tinham nas gavetas. Nesse sentido, agora que trouxemos isso à luz, muitas pessoas ao redor do mundo poderão trabalhar nisso, dando o potencial para um amplo impacto."

Mais informações: Juraj Krempaský, Levantamento altermagnético da degeneração do spin de Kramers, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06907-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7
Informações do diário: Natureza

Fornecido pelo Instituto Paul Scherrer