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Uma equipe multinacional de pesquisadores, co-liderada por um físico da City University of Hong Kong (CityU), descobriu que um novo cristal metálico exibe um comportamento eletrônico incomum em sua superfície, graças à estrutura atômica única do cristal. Suas descobertas abrem a possibilidade de usar esse material para desenvolver dispositivos microeletrônicos mais rápidos e menores.
O material estudado é um composto metálico “kagome” recentemente descoberto que consiste em três elementos: gadolínio (Gd), vanádio (V) e estanho (Sn). É classificado como um material “1-6-6” para indicar a proporção dos três elementos metálicos presentes no GdV6Sn6 cristal. Os átomos estão dispostos em um padrão geométrico complexo, mas regular, resultando em características de superfície extraordinárias.
Normalmente, os elétrons carregados negativamente nos átomos se movem dentro de bandas de energia discretas a diferentes distâncias dos núcleos carregados positivamente. No entanto, na superfície de GdV6Sn6, prevê-se que as camadas superiores dos átomos expostos interajam entre si e deformem a topologia, ou seja, a forma e o posicionamento das bandas de energia. Em teoria, essa deformação poderia introduzir uma nova e estável propriedade eletrônica que, até agora, não foi detectada definitivamente em GdV6Sn6 ou qualquer outro metal kagome.
Primeira observação de comportamento eletrônico de superfície incomum em um metal kagome
“Nossa equipe observou inequivocamente pela primeira vez que um metal kagome pode exibir estruturas eletrônicas alteradas de banda de energia do tipo conhecido como ‘estados de superfície Dirac topologicamente não triviais’”, diz Ma Junzhang, professor assistente do Departamento de Física da CityU. “Por causa de sua rotação e carga intrínsecas, os elétrons criam seu próprio campo magnético e se comportam como minúsculos giroscópios que têm rotação e inclinação angular que aponta em uma determinada direção. Demonstramos isso em GdV6Sn6os elétrons da superfície tornam-se reordenados ou ‘spin-polarizados’, e suas inclinações se reorientam em torno de um eixo comum que é perpendicular à superfície.”
A orientação ordenada dos elétrons em torno de um eixo compartilhado é sua “quiralidade de spin”, que pode ser no sentido horário ou anti-horário. Mais importante, a equipe de pesquisa foi capaz de reverter com sucesso a quiralidade do spin realizando uma simples modificação física da superfície do cristal. “Como descobrimos que a quiralidade de spin dos elétrons polarizados por spin é facilmente reversível, nosso material tem grande potencial para aplicação em transistores de próxima geração no campo da spintrônica”, acrescenta o Dr. Ma.
O estudo, publicado em Avanços da ciência em 21 de setembro de 2022, foi motivado por previsões teóricas de novas estruturas de banda eletrônica de superfície após considerar características especiais de GdV6Sn6 cristais kagome. Por exemplo, camadas de V repetindo3As subunidades Sn são empilhadas entre camadas alternadas de Sn e GdSn2. Além disso, vários V3As subunidades Sn estão dispostas geometricamente em uma “camada kagome”, cujo padrão repetitivo de seis triângulos equiláteros ao redor de um hexágono lembra o kagome treliça vista na cestaria de bambu japonesa. Por fim, o V.3A camada Sn kagome é não magnética, enquanto a camada GdSn2 camada é magnética.
Primeiro, os pesquisadores fizeram GdV6Sn6 cristais aquecendo os metais Gd, V e Sn e resfriando lentamente o produto. Então, depois de confirmar a composição química e estrutura por difração de raios-X de cristal único, eles clivaram um cristal através das camadas empilhadas e analisaram a superfície exposta por espectroscopia de fotoemissão de resolução angular, ou ARPES. Os resultados revelaram que a superfície clivada realmente possuía estruturas de bandas de energia remodeladas, e análises posteriores demonstraram o caráter de rotação no sentido horário. Finalmente, a equipe mostrou que as bandas de energia de superfície podem ser distorcidas drasticamente revestindo a superfície com átomos de potássio, em um processo conhecido como dopagem de elétrons. Como resultado, a quiralidade do spin do elétron mudou de sentido horário para anti-horário com o aumento do nível de dopagem.
Aplicações potenciais para melhorar a transferência de informações e além
A capacidade dos pesquisadores de reverter deliberadamente a quiralidade de spin dos elétrons da superfície no GdV6Sn6 cristal torna um material candidato promissor para inúmeras aplicações eletrônicas práticas.
“No futuro, poderemos aplicar uma voltagem local, ou ‘porta’ eletrostática, para manipular ou sintonizar diretamente a estrutura da banda eletrônica e, portanto, alternar a quiralidade do spin do elétron na superfície dos metais 1-6-6 kagome,” diz o Dr Ma. “Controlar a direção da polarização do spin dos elétrons é uma alternativa atraente à codificação digital binária tradicional baseada na presença ou ausência de carga elétrica, que é relativamente lenta e pode levar a problemas como aquecimento do dispositivo. Nossa tecnologia pode aumentar significativamente a eficiência na transferência de informação digital, com menos geração de calor, e poderia ser explorada em computação quântica quando acoplada a supercondutores.”
Os primeiros autores do estudo são o Dr. Hu Yong, do Instituto Paul Scherrer (PSI), na Suíça, e o Dr. Wu Xianxin, da Academia Chinesa de Ciências, em Pequim. Os autores correspondentes são Dr Hu, Dr Ma do CityU e Professor Shi Ming do PSI. Os colaboradores incluíram o professor Xie Weiwei da Rutgers University, EUA, que forneceu as amostras e o professor Andreas Schnyder do Instituto Max Planck, na Alemanha.
Neste trabalho, o Dr. Ma foi financiado pela CityU, a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pela Fundação de Pesquisa Básica e Aplicada de Guangdong. Os outros colaboradores foram apoiados pela Fundação Nacional Suíça de Ciência, Cooperação Sino-Suíça em Ciência e Tecnologia, Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e Programa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA.
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