No cenário em constante evolução da física da matéria condensada, um avanço recente emergiu dos esforços colaborativos de pesquisadores do Instituto Peter Grünberg (PGI-1), da École Polytechnique Fédérale de Lausanne, do Instituto Paul Scherrer na Suíça e do Jülich Center for Ciência de Nêutrons (JCNS).



Este trabalho sinérgico, conduzido pelo trio Manuel dos Santos Dias, Nikolaos Biniskos e Flaviano dos Santos e liderado por Stefan Blügel, Thomas Brückel e Samir Lounis, investigou propriedades magnônicas inexploradas dentro do Mn₅ Ge₃ , um material ferromagnético tridimensional.

A topologia, um conceito fundamental na física contemporânea, já desempenhou um papel transformador na compreensão dos elétrons nos sólidos. Dos efeitos Hall quânticos aos isoladores topológicos, a influência da topologia é de longo alcance. Neste contexto, o foco mudou para magnons – precessão coletiva de momentos magnéticos – como potenciais portadores de efeitos topológicos. Os Magnons, sendo bósons, podem exibir fenômenos únicos semelhantes aos de suas contrapartes fermiônicas.

A equipe de pesquisa teve como objetivo explorar as propriedades magnônicas do Mn₅ Ge₃ , um ferromagneto centrossimétrico 3D. Através de uma combinação de cálculos da teoria do funcional da densidade, simulações de modelos de spin e experimentos de espalhamento de nêutrons, eles desvendaram a estrutura incomum da banda magnon do material.

A revelação central foi a existência de magnons de Dirac com lacuna de energia, um fenômeno atribuído às interações Dzyaloshinskii-Moriya. Essa interação, identificada no material, é responsável por criar uma lacuna no espectro magnon.

A ajustabilidade da lacuna girando a direção de magnetização usando um campo magnético aplicado caracteriza Mn₅ Ge₃ como um material tridimensional com magnons de Dirac com lacunas. Esta lacuna, explicada teoricamente e demonstrada experimentalmente, ressaltou a natureza topológica de Mn₅ Ge₃ magnons.

As descobertas da equipe de pesquisa não apenas contribuem para a compreensão fundamental dos magnons topológicos, mas também destacam o Mn₅ Ge₃ como um potencial divisor de águas no domínio dos materiais magnéticos.

A intrincada interação de fatores revelada em Mn₅ Ge₃ abre novos caminhos para projetar materiais com propriedades magnéticas personalizadas. À medida que as propriedades magnéticas do material podem ser ajustadas com precisão, a perspectiva de integrar esses magnons topológicos em novos conceitos de dispositivos para aplicações práticas torna-se cada vez mais viável.

À medida que a comunidade científica continua a explorar as fronteiras da física da matéria condensada, este estudo marca um marco significativo no desvendamento dos mistérios dos materiais magnéticos. A implicação da investigação não só expande a nossa compreensão dos magnões, mas também abre caminho para o aproveitamento das suas propriedades quânticas únicas em tecnologias futuras.

As descobertas foram publicadas na revista Nature Communications .

Mais informações: M. dos Santos Dias et al, Magnons topológicos impulsionados pela interação Dzyaloshinskii-Moriya no ferromagneto centrossimétrico Mn5Ge3, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43042-3
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido por Forschungszentrum Juelich