Físicos da Universidade de Augsburg conseguiram distinguir ordens quirais com magnetização semelhante, mas com sentido oposto de rotação, por meio de medições elétricas em baixas temperaturas. Isto é relevante para pesquisas fundamentais sobre ímãs complexos e possíveis aplicações para armazenamento de dados magnéticos. Os resultados foram publicados na Nature Physics .



As correntes elétricas e as forças magnéticas estão diretamente ligadas entre si:os cabos que transportam corrente criam um campo magnético circular e vice-versa, um campo magnético desvia partículas eletricamente carregadas perpendicularmente à corrente e à direção do campo. Este último fenômeno é chamado de “efeito Hall” em homenagem ao seu inventor Edwin Hall.

O efeito Hall é usado para sondar propriedades elétricas e magnéticas de metais. O "efeito Hall normal" nos permite determinar a concentração de portadores de carregadores e sua mobilidade, enquanto uma contribuição adicional denominada "efeito Hall anômalo" surge nos ímãs.

No Instituto de Física da Universidade de Augsburg descobriu-se agora que o efeito Hall anômalo poderia revelar uma simetria oculta. "Apesar de uma magnetização igual, dois estados mostram sinais Hall anômalos distintamente diferentes, uma observação surpreendente e impressionante", explica Philipp Gegenwart, professor de Física Experimental.

Padrão magnético circulante direito e esquerdo

As investigações foram feitas com o metal magnético HoAgGe, que possui propriedades magnéticas especiais descobertas há quatro anos pela equipe do Prof. O material apresenta uma configuração triangular de spins de elétrons atômicos de átomos de hólmio.

Como é impossível cumprir simultaneamente todas as interações entre pares em cada triângulo, surge um estado magneticamente frustrado. Ele apresenta várias configurações energeticamente degeneradas por triângulo e é chamado de gelo giratório Kagome. As voltas estão localizadas nas bordas dos triângulos divididos em cantos, lembrando cestas japonesas trançadas "Kagome". Regras semelhantes que se aplicam ao gelo de água determinam as configurações possíveis dos momentos magnéticos.

Em contraste com os ímãs comuns, os momentos magnéticos no gelo giratório de Kagome não estão alinhados ao longo de uma direção, mas obedecem a um padrão quiral complexo, isto é, com um sentido de rotação diferente. Eles são criados em um campo magnético aplicado a baixas temperaturas e apresentam platôs de magnetização fracionada em valores de 1/3 e 2/3. A figura acima mostra dois desses padrões com energia semelhante e 1/3 da magnetização de saturação cada.

Possível aplicação para armazenamento de dados

O estudo do grupo de pesquisa da Universidade de Augsburg investigou e analisou sistematicamente o efeito Hall anômalo em baixas temperaturas. Surpreendentemente, foram encontrados valores diferentes do efeito Hall anômalo para os dois padrões de magnetização de 1/3, visíveis como curvas vermelhas e pretas no gráfico da figura acima.

A modelagem dos dados revelou uma simetria oculta única subjacente:a combinação de uma rotação de 180° e uma reversão de distorção é necessária para transformar um padrão em outro. Os elétrons de condução que se espalham pelos dois padrões diferentes resultam em curvaturas diferentes da fase de suas funções de onda, e isso leva a uma diferença no efeito Hall anômalo, apesar de uma energia e magnetização semelhantes dos dois padrões diferentes.

De forma mais geral, esta observação indica um novo potencial para medições do efeito Hall anômalo em metais magneticamente frustrados e para descobrir simetrias e estados ocultos por meio de medições elétricas. “Isso também pode ser interessante no que diz respeito ao armazenamento permanente de dados magnéticos na menor escala atômica”, diz Gegenwart. Porém, isso requer o endereçamento local e a comutação seletiva do sentido de rotação desses padrões.

Mais informações: K. Zhao et al, Degenerações discretas distinguidas pelo efeito Hall anômalo em um composto de gelo kagome metálico, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02307-w
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Universidade de Augsburg