Pesquisadores encontram excitações inesperadas em um material em camadas de Kagome

Pesquisadores do Laboratório Nacional Ames do Departamento de Energia dos EUA descobriram uma excitação quiral inesperada no ímã topológico em camadas kagome TbMn₆Sn₆. Esta excitação quiral pode ser vista como um redemoinho ou vórtice magnético localizado. A equipe também confirmou a existência de magnons de banda plana localizados, uma nova excitação associada à frustração da geometria da rede Kagome.

Nos últimos anos, uma equipe de cientistas do Ames Lab, liderada por Rob McQueeney, tem investigado o TbMn₆Sn₆ para saber mais sobre o material, suas propriedades e como ele se comporta em diferentes temperaturas e campos magnéticos. Segundo McQueeney, o material já era conhecido há bastante tempo, mas voltou aos radares dos pesquisadores há cerca de cinco anos. “Este material tem sido uma mina de ouro para fenómenos interessantes”, disse McQueeney.

Na investigação deste material até agora, a equipe mapeou suas excitações magnéticas em baixas energias e estudou como essas excitações evoluem através de uma transição de reorientação do spin magnético dependente da temperatura. Suas últimas descobertas vêm do estudo das excitações de alta energia do material.

O estudo é intitulado “Quasipartículas magnéticas quirais e de banda plana em camadas kagome ferromagnéticas e metálicas” e foi publicado na revista Comunicações da Natureza.

McQueeney explicou que, com base em modelos teóricos, eles esperavam encontrar magnons de banda plana localizados devido à geometria especial da rede Kagome. Magnons são quasipartículas, ou excitações elementares, que controlam a magnetização de um material.

“As excitações de banda plana são localizadas, então a excitação magnética não se propaga como uma onda, ela apenas fica localizada em um único hexágono. E uma excitação em outro hexágono na rede não se comunica com o outro, apenas tipo de ficar ali e flutuar nesses hexágonos”, disse McQueeney. “Em uma camada kagome, essas faixas planas são garantidas pela geometria da rede.”

Além de observar esses magnons de banda plana localizados, a equipe ficou surpresa ao descobrir um tipo diferente de excitação localizada.

“Vimos outra excitação, que não deveria existir”, disse McQueeney. “Quando olhamos para a distribuição de momento, isso tinha o caráter do que eles chamam de excitação quiral. Quiralidade significa que tem lateralidade, então há versões da excitação para canhotos e destros. E descobrimos que também estava localizado para um hexágono, assim como a banda plana.”

Ele explicou ainda que TbMn₆Sn₆ tem camadas kagome ferromagnéticas, mas as excitações quirais sugerem que uma instabilidade antiferromagnética quiral concorrente está próxima. O estado magnético de um material determina suas propriedades funcionais. Por exemplo, os ferromagnetos atraem fortemente outros materiais magnéticos, enquanto os antiferromagnetos não possuem um campo magnético fora do material (portanto, não atraem outros ímãs).

Neste material, o estado ferromagnético é mais estável do que o antiferromagnetismo quiral que a equipe descobriu. No entanto, McQueeney disse que, uma vez que as excitações quirais existem, talvez ajustar a composição química do material possa estabilizar a ordem quiral.

“As pessoas estão sempre procurando estados fundamentais quirais”, disse McQueeney. “A razão pela qual usamos o conceito de quasipartícula aqui é porque é uma forma de transmitir energia ou informação, como um elétron é uma quasipartícula, e podemos enviá-lo do ponto A ao ponto B, carregando alguma informação.

“Uma quasipartícula quiral teria outros atributos. Teria lateralidade, por exemplo, e então você poderia pensar em novas maneiras de, digamos, transmitir informações do ponto A ao ponto B, que não envolvessem mover uma carga, mas movendo algum sinal quiral.”

Descobrir esta nova excitação quiral foi especialmente emocionante para McQueeney: “Você não espera que ela exista”, disse ele. “E ainda não entendemos por que ele está ali. Na verdade, estamos realizando outros experimentos para procurá-lo em outros materiais.”