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Os físicos ficaram surpresos com a descoberta de 2022 de que os elétrons em cristais magnéticos de ferro-germânio poderiam organizar espontânea e coletivamente suas cargas em um padrão com uma onda estacionária. O magnetismo também surge da auto-organização coletiva dos spins dos elétrons em padrões ordenados, e esses padrões raramente coexistem com os padrões que produzem a onda estacionária de elétrons que os físicos chamam de onda de densidade de carga.
Em um estudo publicado esta semana na física da natureza, Os físicos Ming Yi e Pengcheng Dai da Rice University, e muitos de seus colaboradores do estudo de 2022, apresentam uma série de evidências experimentais que mostram que a descoberta de ondas de densidade de carga foi ainda mais rara, um caso em que as ordens magnética e eletrônica não simplesmente coexistem, mas estão diretamente ligados.
“Descobrimos que o magnetismo modifica sutilmente a paisagem dos estados de energia do elétron no material de uma maneira que promove e prepara para a formação da onda de densidade de carga”, disse Yi, coautor do estudo.
O estudo foi co-autoria de mais de uma dúzia de pesquisadores de Rice; Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL); Laboratório Acelerador Nacional SLAC; Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL); a Universidade de Washington; a Universidade da Califórnia, Berkeley; Instituto de Ciências Weizmann de Israel; e a Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul da China.
Os materiais de ferro-germânio são cristais de rede kagome, uma família de materiais muito estudada com arranjos 2D de átomos que lembram o padrão de tecelagem nas tradicionais cestas kagome japonesas, que apresentam triângulos equiláteros que se tocam nos cantos.
“Os materiais Kagome tomaram conta do mundo dos materiais quânticos recentemente”, disse Yi. “O legal dessa estrutura é que a geometria impõe restrições quânticas interessantes na maneira como os elétrons podem dar zoom, algo análogo a como as rotatórias afetam o fluxo do tráfego e às vezes o param”.
Por natureza, os elétrons evitam um ao outro. Uma maneira de fazer isso é ordenar seus estados magnéticos – spins que apontam para cima ou para baixo – na direção oposta dos spins de seus vizinhos.
Dai, um coautor do estudo correspondente, disse: “Quando colocados nas redes kagome, os elétrons também podem aparecer em um estado em que estão presos e não podem ir a lugar nenhum devido a efeitos de interferência quântica”.
Quando os elétrons não podem se mover, o arranjo triangular produz uma situação em que cada um tem três vizinhos, e não há como os elétrons ordenarem coletivamente todos os spins vizinhos em direções opostas. A frustração inerente dos elétrons nos materiais da rede Kagome é reconhecida há muito tempo.
Yi disse que a rede restringe os elétrons de maneiras que “podem ter um impacto direto nas propriedades observáveis do material”, e a equipe foi capaz de usar isso “para investigar mais profundamente as origens do entrelaçamento do magnetismo e da onda de densidade de carga”. em ferro-germânio.
Eles fizeram isso usando uma combinação de experimentos inelásticos de espalhamento de nêutrons, que foram realizados no ORNL, e experimentos de espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo que foram realizados no Advanced Light Source do LBNL e no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource do SLAC, bem como no laboratório de Yi em Rice.
“Essas sondas nos permitiram observar o que os elétrons e a rede estavam fazendo enquanto a onda de densidade de carga tomava forma”, disse ela.
Dai disse que as descobertas confirmaram a hipótese da equipe de que a ordem de carga e a ordem magnética estão ligadas no ferro-germânio. “Este é um dos poucos, se não o único, exemplo conhecido de um material kagome onde o magnetismo se forma primeiro, preparando o caminho para o alinhamento das cargas”, disse ele.
Yi disse que o trabalho mostra como a curiosidade e a pesquisa básica em fenômenos naturais podem eventualmente levar à ciência aplicada.
“Como físicos, sempre ficamos entusiasmados quando encontramos materiais que formam espontaneamente algum tipo de ordem”, disse ela. “Isso significa que há uma chance de aprendermos sobre as habilidades de auto-organização das partículas fundamentais dos materiais quânticos. Somente com esse tipo de compreensão podemos um dia esperar projetar materiais com propriedades novas ou exóticas que podemos controlar à vontade. .”
Dai é o professor Sam e Helen Worden de física e astronomia. Dai e Yi são membros da Rice Quantum Initiative e do Rice Center for Quantum Materials (RCQM).
A pesquisa em Rice foi apoiada pela Iniciativa EPiQS da Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470), Welch Foundation (C-2024, C-1839), Departamento de Energia (DE-SC0021421) e National Science Foundation (2100741, 1921847 ).
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