Em um novo estudo, os cientistas investigaram a classe recém-descoberta de materiais altermagnéticos por suas propriedades térmicas, oferecendo insights sobre a natureza distinta dos alterímãs para aplicações spin-caloritrônicas.



O magnetismo é um tema antigo e bem pesquisado, prestando-se a muitas aplicações, como motores e transformadores. No entanto, novos materiais e fenômenos magnéticos estão sendo estudados e descobertos, um dos quais são os alterímãs.

Os alterímãs exibem uma mistura única de características magnéticas, diferenciando-os dos materiais magnéticos convencionais, como ferromagnetos e antiferromagnetos. Esses materiais apresentam propriedades observadas tanto em ferromagnetos quanto em antiferromagnetos, tornando seu estudo atraente.

A pesquisa atual, publicada em Physical Review Letters , explora as propriedades térmicas dos alterímãs e foi liderado pelo Prof. Wanxiang Feng e Prof. Yugui Yao do Instituto de Tecnologia de Pequim.

Falando sobre sua motivação por trás da exploração de alterímãs, o Prof. Feng disse ao Phys.org:"O magnetismo é um tópico antigo e fascinante na física do estado sólido. Ao explorar ímãs não colineares nas últimas décadas, encontramos um novo tipo de ímã colinear, o alterímã."

O professor Yao acrescentou:"Com uma natureza dupla que lembra ferromagnetos e antiferromagnetos, os altermagnetos nos intrigaram com o potencial para novos efeitos físicos. Nossa motivação resultou do desejo de compreender e desbloquear as propriedades únicas desses materiais magnéticos."

O surgimento do magnetismo

As propriedades magnéticas emergem do comportamento dos átomos, particularmente do arranjo e movimento dos elétrons dentro de um material.

“Em materiais magnéticos, devido à interação de troca entre átomos, os momentos magnéticos de spin organizam-se paralelos ou antiparalelos, formando os ferromagnetos e antiferromagnetos mais comuns, respectivamente, que têm sido estudados há mais de um século”, explicou o Prof.

Os alterímãs desafiam as normas convencionais ao incorporar uma natureza dupla - assemelhando-se aos antiferromagnetos com magnetização líquida zero e aos ferromagnetos com divisão de spin não relativística.

Em alterímãs, a ordem magnética antiparalela colinear combina-se com a divisão de spin não relativística, resultando em magnetização líquida zero semelhante a antiferromagnetos e dinâmica de spin ferromagnético simultaneamente.

Este comportamento único emerge da intrincada interação de átomos dentro da estrutura cristalina. Por exemplo, o dióxido de rutênio, objeto desta pesquisa, apresenta degeneração de spin induzida por átomos de oxigênio não magnéticos, quebrando simetrias espaciais e temporais. Isso leva às propriedades magnéticas únicas do material.

Além disso, os alterímãs exibem uma polarização de spin única. O termo "polarização de spin" significa que uma preponderância de spins de elétrons tende a se alinhar em uma direção específica.

A polarização de spin é digna de nota em alterímãs porque ocorre no arranjo físico dos átomos (espaço real) e no espaço de momentos, onde é considerada a distribuição dos spins dos elétrons no material.

Efeitos Nernst e Hall

Os pesquisadores se concentraram em estudar o surgimento do cristal Nernst e dos efeitos térmicos do cristal Hall no dióxido de rubídio (RuO₂ ), escolhida como vitrine representativa do altermagnetismo.

O efeito cristal Nernst (CNE) observado em alterímãs é resultado de sua natureza magnética distinta. Em termos simples, à medida que o material experimenta uma diferença de temperatura em suas dimensões, isso leva ao surgimento de uma tensão perpendicular tanto ao gradiente de temperatura quanto ao campo magnético. Este fenômeno revela que as propriedades magnéticas do material influenciam sua resposta às mudanças de temperatura, fornecendo insights sobre a intrincada conexão entre os comportamentos térmicos e magnéticos nos alterímãs.

Nos alterímãs, este efeito é significativamente influenciado pela direção do vetor Néel, que representa a direção na qual os momentos magnéticos vizinhos se alinham. Isso adiciona uma camada extra de complexidade à resposta térmica.

Da mesma forma, o efeito Hall térmico de cristal (CTHE) esclarece como o calor se move em alterímãs. Tal como o efeito Hall térmico tradicional, ocorre perpendicularmente ao gradiente de temperatura e ao campo magnético. Nos alterímãs, o CTHE apresenta variação significativa dependendo da direção do vetor Néel. Esta anisotropia é um fator central na compreensão do comportamento do transporte térmico exclusivo dos materiais altermagnéticos.

Propriedades térmicas do RuO₂

A metodologia de pesquisa empregou uma estratégia dupla, combinando análise de simetria e cálculos de primeiros princípios de ponta, para desvendar as propriedades de transporte térmico do RuO₂ . A análise de simetria desempenhou um papel crucial no desvendamento das razões fundamentais por trás do surgimento do altermagnetismo.

Através de duas operações de simetria envolvendo inversão espacial, reversão de tempo e translação de rede, o estudo mostrou a intrincada interação de átomos dentro da estrutura cristalina, demonstrando como os átomos de oxigênio não magnéticos induziram a divisão de spin não relativística em bandas de energia.

Este processo resultou na quebra da simetria cristalina de reversão do tempo, dando origem a propriedades distintas de transporte térmico do cristal.

"Através de análises detalhadas, identificamos três mecanismos físicos que contribuem para o transporte térmico do cristal:linhas pseudo-nodais de Weyl, planos pseudo-nodais altermagnéticos e transições de escada altermagnética", disse o Prof.

Em termos simples, as linhas pseudo-nodais de Weyl são caminhos que guiam o calor dentro do material, os planos pseudo-nodais altermagnéticos podem ser imagens como zonas designadas que influenciam o fluxo de calor, e as transições da escada altermagnética podem ser pensadas como a maneira do material subir uma onda de calor. escada.

Essas descobertas são empolgantes, pois desempenham um papel significativo na forma como o calor viaja dentro dos alterímãs.

Os pesquisadores descobriram uma lei estendida de Wiedemann-Franz em RuO₂ , ligando as características incomuns de transporte térmico e elétrico do material. Contrariamente às expectativas convencionais, esta lei alargada opera numa gama de temperaturas mais ampla, que se estende para além dos 150 Kelvin.

Spin caloritrônica

Os pesquisadores acreditam que os alterímãs podem ter um papel fundamental na caloritrônica de spin, um campo de pesquisa que explora a interação entre spin e fluxo de calor, que não é alcançável com ferromagnetos ou antiferromagnetos. Este campo tem aplicações potenciais no desenvolvimento de novas tecnologias para processamento e armazenamento de informações.

"Materiais altermagnéticos com ordem magnética antiparalela colinear exibem dinâmica de rotação mais rápida e menor sensibilidade a campos magnéticos dispersos em comparação com materiais ferromagnéticos. Isso os torna promissores para alcançar maior densidade de armazenamento e dispositivos caloritrônicos de rotação mais rápida, "explicou o Prof.

Os pesquisadores também pretendem investigar o transporte térmico de cristais de ordem superior e os efeitos magneto-ópticos no futuro.

Falando sobre isso, o professor Yao disse:"Estamos curiosos sobre as diferenças no transporte térmico de cristais de ordem superior e nos efeitos magneto-ópticos de alta ordem em alterímãs em comparação com antiferromagnetos ou ferromagnetos. Estamos nos estágios iniciais desta tecnologia, e há uma longa jornada pela frente antes que isso se torne praticamente alcançável."

Mais informações: Xiaodong Zhou et al, Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.056701. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.01410
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