Comportamento modelado consistente com resultados de experimentos de ímã helicoidal – Strong The One

Os materiais no estudo são magnéticos em temperaturas frias e tornam-se não magnéticos quando descongelam. O físico experimental Makariy Tanatar, do Ames National Laboratory da Iowa State University, notou um comportamento eletrônico desconcertante em cristais helimagnéticos em camadas e trouxe o mistério à atenção do físico teórico de Rice, Andriy Nevidomskyy, que trabalhou com Tanatar e o ex-aluno de graduação de Rice, Matthew Butcher, para criar um modelo computacional. que simulou os estados quânticos de átomos e elétrons nos materiais em camadas.

Os materiais magnéticos passam por uma transição de “descongelamento” à medida que se aquecem e se tornam não magnéticos. Os pesquisadores executaram milhares de simulações de computador de Monte Carlo dessa transição em helimagnetos e observaram como os dipolos magnéticos dos átomos dentro do material se organizaram durante o degelo. Seus resultados foram publicados em um estudo recente na Physical Review Letters.

Em um nível submicroscópico, os materiais em estudo são compostos por milhares de cristais 2D empilhados uns sobre os outros como páginas de um caderno. Em cada folha de cristal, os átomos estão organizados em redes, e os físicos modelaram interações quânticas dentro e entre as folhas.

“Estamos acostumados a pensar que, se você pegar um sólido, como um bloco de gelo, e aquecê-lo, eventualmente ele se tornará um líquido e, a uma temperatura mais alta, evaporará e se tornará um gás”, disse Nevidomskyy , professor associado de física e astronomia e membro da Rice Quantum Initiative. “Uma analogia semelhante pode ser feita com materiais magnéticos, exceto que nada evapora no verdadeiro sentido da palavra.

“O cristal ainda está intacto”, disse ele. “Mas se você observar o arranjo dos pequenos dipolos magnéticos – que são como agulhas de bússola – eles começam em um arranjo correlacionado, o que significa que, se você souber para que lado um deles está apontando, poderá determinar para qual lado qualquer um deles está apontando. eles pontos, independentemente de quão longe está na rede. Esse é o estado magnético — o sólido em nossa analogia. À medida que você aquece, os dipolos eventualmente se tornarão completamente independentes, ou aleatórios, em relação um ao outro. Isso é conhecido como um paramagneto, e é análogo a um gás.”

Nevidomskyy disse que os físicos normalmente pensam em materiais com ordem magnética ou sem ordem.

“Uma analogia melhor do ponto de vista clássico seria um bloco de gelo seco”, disse ele. “Ele meio que esquece a fase líquida e vai direto do gelo para o gás. É assim que as transições magnéticas geralmente são nos livros didáticos. Somos ensinados que você começa com algo correlacionado, digamos um ferroímã, e em algum ponto o parâmetro de ordem desaparece e você acaba com um paramagneto.”

Tanatar, pesquisador do Laboratório de Supercondutividade e Magnetismo de Baixa Temperatura de Ames, encontrou sinais de que a transição da ordem magnética para a desordem em ímãs helicoidais foi marcada por uma fase transitória na qual as propriedades eletrônicas, como a resistência, diferiam na direção. Por exemplo, eles podem diferir se forem medidos horizontalmente, de lado a lado, em vez de verticalmente de cima para baixo. Esse comportamento direcional, que os físicos chamam de anisotropia, é uma marca registrada de muitos materiais quânticos, como supercondutores de alta temperatura.

“Esses materiais em camadas não parecem iguais nas direções vertical e horizontal”, disse Nevidomskyy. “Essa é a anisotropia. A intuição de Makariy era que a anisotropia estava afetando como o magnetismo derrete no material, e nossa modelagem demonstrou que isso é verdade e mostrou por que isso acontece.”

O modelo mostrou que o material passa por uma fase intermediária à medida que transita da ordem magnética para a desordem. Nessa fase, as interações dipolo são muito mais fortes dentro das folhas do que entre elas. Além disso, as correlações entre os dipolos se assemelhavam às de um líquido, em vez de um sólido. O resultado são “poças achatadas de líquidos magnéticos empilhados como panquecas”, disse Nevidomskyy. Em cada panqueca em forma de poça, os dipolos apontam mais ou menos na mesma direção, mas esse sentido de direção varia entre as panquecas vizinhas.

“É um monte de átomos, todos com seus dipolos apontando na mesma direção”, disse Nevidomskyy. “Mas então, se você subir uma camada, todas elas estão apontando em uma direção aleatória diferente.”

O arranjo atômico no material “frustra” os dipolos e os impede de se alinharem em uma direção uniforme em todo o material. Em vez disso, os dipolos nas camadas se deslocam, girando ligeiramente em resposta a mudanças nas panquecas vizinhas.

“As frustrações tornam difícil para as flechas, esses dipolos magnéticos, decidirem para onde querem apontar, em um ângulo ou outro”, disse Nevidomskyy. “E para aliviar essa frustração, eles tendem a girar e mudar em cada camada.”

Tanatar disse: “A ideia é que você tenha duas fases magnéticas competindo. Elas estão lutando entre si e, como resultado, você tem uma temperatura de transição para essas fases que é menor do que seria sem competição. E nesse cenário de competição, o fenômenos que levam à ordem magnética são diferentes dos fenômenos quando você não tem essa competição.”

Tanatar e Nevidomskyy disseram que, embora não haja aplicação imediata para a descoberta, ela pode, no entanto, oferecer dicas sobre a física ainda inexplicável de outros materiais anisotrópicos, como supercondutores de alta temperatura.

Apesar do nome, a supercondutividade de alta temperatura ocorre em temperaturas muito frias. Uma teoria sugere que os materiais podem se tornar supercondutores quando são resfriados nas proximidades de um ponto crítico quântico, uma temperatura suficiente para suprimir a ordem magnética de longo alcance e dar origem a efeitos causados ​​por fortes flutuações quânticas. Por exemplo, vários materiais “pais” magnéticos mostraram abrigar supercondutividade perto de um ponto crítico quântico onde o magnetismo desaparece.

“Depois de suprimir o efeito principal, a ordem magnética de longo alcance, você pode dar lugar a efeitos mais fracos, como a supercondutividade”, disse Tanatar. “Esta é uma das principais teorias da supercondutividade não convencional. Em nosso estudo, mostramos que você pode fazer a mesma coisa de uma maneira diferente, com frustração ou interações concorrentes.”

Butcher realizou os cálculos de Monte Carlo como Ph.D. estudante no grupo de pesquisa de Nevidomskyy. Ele obteve seu doutorado na Rice em 2022 e agora é um cientista de engenharia nos Laboratórios de Pesquisa Aplicada da Universidade do Texas em Austin.

A pesquisa foi financiada pela Fundação Welch (C-1818), pelo programa de Ciências de Energia Básica do Departamento de Energia, pela Divisão de Ciências e Engenharia de Materiais (DE-AC02-07CH11358) e pela National Science Foundation (1917511, 1607611, 1338099). O trabalho computacional foi apoiado pelo Centro de Computação de Pesquisa da Rice University.