Físicos relatam novos insights sobre partículas exóticas essenciais para o magnetismo

Físicos e colegas do MIT relatam novos insights sobre partículas exóticas essenciais para uma forma de magnetismo que atraiu interesse crescente porque se origina de materiais ultrafinos com apenas algumas camadas atômicas de espessura. O trabalho, que pode impactar a eletrônica do futuro e muito mais, também estabelece uma nova maneira de estudar essas partículas por meio de um poderoso instrumento no National Synchrotron Light Source II no Brookhaven National Laboratory.

Entre suas descobertas, a equipe identificou a origem microscópica dessas partículas, conhecidas como excitons. Eles mostraram como elas podem ser controladas por meio do “ajuste” químico do material, que é composto principalmente de níquel. Além disso, eles descobriram que os excitons se propagam por todo o material em massa em vez de serem ligados aos átomos de níquel.

Por fim, eles provaram que o mecanismo por trás dessas descobertas é onipresente em materiais semelhantes à base de níquel, abrindo caminho para a identificação — e o controle — de novos materiais com propriedades eletrônicas e magnéticas especiais.

Os resultados de acesso aberto são relatados na edição de 12 de julho da Revisão Física X.

“Nós essencialmente desenvolvemos uma nova direção de pesquisa para o estudo desses materiais magnéticos bidimensionais que depende muito de um método espectroscópico avançado, espalhamento inelástico de raios X ressonante (RIXS), que está disponível no Laboratório Nacional de Brookhaven”, diz Riccardo Comin, professor associado de desenvolvimento de carreira de física da turma de 1947 do MIT e líder do trabalho.

Camadas ultrafinas

Os materiais magnéticos no centro do trabalho atual são conhecidos como dihaletos de níquel. Eles são compostos de camadas de átomos de níquel intercaladas entre camadas de átomos de halogênio (halogênios são uma família de elementos), que podem ser isolados em camadas atomicamente finas. Neste caso, os físicos estudaram as propriedades eletrônicas de três materiais diferentes compostos de níquel e os halogênios cloro, bromo ou iodo. Apesar de sua estrutura enganosamente simples, esses materiais hospedam uma rica variedade de fenômenos magnéticos.

A equipe estava interessada em como as propriedades magnéticas desses materiais respondem quando expostos à luz. Eles estavam interessados ​​especificamente em partículas particulares — os excitons — e como elas estão relacionadas ao magnetismo subjacente. Como exatamente elas se formam? Elas podem ser controladas?

Insira excitons

Um material sólido é composto de diferentes tipos de partículas elementares, como prótons e elétrons. Também onipresentes em tais materiais são as “quasipartículas” com as quais o público está menos familiarizado. Isso inclui excitons, que são compostos de um elétron e um “buraco”, ou o espaço deixado para trás quando a luz incide sobre um material e a energia de um fóton faz com que um elétron salte para fora de sua posição usual.

Através dos mistérios da mecânica quântica, no entanto, o elétron e o buraco ainda estão conectados e podem “comunicar-se” um com o outro através de interações eletrostáticas. Essa interação leva a uma nova partícula composta formada pelo elétron e o buraco — um exciton.

Excitons, diferentemente de elétrons, não têm carga, mas possuem spin. O spin pode ser pensado como um ímã elementar, no qual os elétrons são como pequenas agulhas orientadas de uma certa maneira. Em um ímã de geladeira comum, todos os spins apontam na mesma direção. Em termos gerais, os spins podem se organizar em outros padrões, levando a diferentes tipos de ímãs. O magnetismo único associado aos dihaletos de níquel é uma dessas formas menos convencionais, tornando-o atraente para pesquisas fundamentais e aplicadas.

A equipe do MIT explorou como os excitons se formam nos dihaletos de níquel. Mais especificamente, eles identificaram as energias exatas, ou comprimentos de onda, de luz necessários para criá-los nos três materiais que estudaram.

“Conseguimos medir e identificar a energia necessária para formar os excitons em três diferentes haletos de níquel por meio do ‘ajuste’ químico, ou alteração, do átomo de haleto de cloro para bromo para iodo”, diz Occhialini. “Este é um passo essencial para entender como os fótons — luz — poderiam um dia ser usados ​​para interagir ou monitorar o estado magnético desses materiais.” As aplicações finais incluem computação quântica e novos sensores.

O trabalho também pode ajudar a prever novos materiais envolvendo excitons que podem ter outras propriedades interessantes. Além disso, enquanto os excitons estudados se originam nos átomos de níquel, a equipe descobriu que eles não permanecem localizados nesses locais atômicos. Em vez disso, “nós mostramos que eles podem efetivamente pular entre locais por todo o cristal”, diz Occhialini. “Essa observação de salto é a primeira para esses tipos de excitons e fornece uma janela para entender sua interação com as propriedades magnéticas do material.”

Um instrumento especial

A chave para este trabalho — em particular para observar o salto do éxciton — é o espalhamento inelástico ressonante de raios X (RIXS), uma técnica experimental que os coautores Pelliciari e Bisogni ajudaram a desenvolver. Apenas algumas instalações no mundo têm instrumentos RIXS avançados de alta resolução de energia. Um deles fica em Brookhaven. Pelliciari e Bisogni fazem parte da equipe que administra a instalação RIXS em Brookhaven. Occhialini se juntará à equipe lá como pós-doutorado após receber seu Ph.D. no MIT.

O RIXS, com sua sensibilidade específica aos excitons dos átomos de níquel, permitiu que a equipe “estabelecesse a base para uma estrutura geral para sistemas de dihaleto de níquel”, diz Pelliciari. “Ele nos permitiu medir diretamente a propagação de excitons.”

Os colegas de Comin no trabalho incluem Connor A. Occhialini, um estudante de pós-graduação em física do MIT, e Yi Tseng, um recente pós-doutorado do MIT agora no Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Os dois são co-primeiros autores do Revisão Física X artigo. Autores adicionais são Hebatalla Elnaggar da Sorbonne; Qian Song, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física do MIT; Mark Blei e Seth Ariel Tongay da Arizona State University; Frank MF de Groot da Utrecht University; e Valentina Bisogni e Jonathan Pelliciari do Brookhaven National Laboratory.