Nêutrons revelam a existência de quebra de simetria local em um semimetal de Weyl

Os primeiros cientistas de materiais podem ter sido os primeiros humanos que — por meio de experimentos de tentativa e erro — descobriram as primeiras tecnologias “de ponta”. Eles descobriram que as melhores pontas de flecha e outras ferramentas poderiam ser feitas de certos tipos de materiais naturais e estruturais, que na época incluíam pedras e ossos de animais.

Hoje, muitos dos novos materiais mais promissores são “funcionalizados”, o que significa que geralmente são projetados e sintetizados de forma cuidadosa e metódica em escala atômica.

No Oak Ridge National Laboratory, um grupo de cientistas usou técnicas de espalhamento de nêutrons para investigar um material funcional relativamente novo chamado semimetal de Weyl. Este material cristalino hospeda quasipartículas de baixa energia, que são propriedades em escala atômica tratadas como uma partícula. Esses férmions de Weyl se movem muito rapidamente em um material e podem transportar carga elétrica em temperatura ambiente. Os cientistas acreditam que os semimetais de Weyl, se usados ​​em eletrônicos do futuro, podem permitir que a eletricidade flua de forma mais eficiente e habilitar computadores e outros dispositivos eletrônicos mais eficientes em termos de energia.

A equipe do ORNL estudou um semimetal magnético de Weyl à base de cobalto com uma estrutura cristalina particular — uma rede Kagome — que pode transitar espontaneamente para um ímã sob certas condições. Tais materiais ferromagnéticos normalmente têm seus spins atômicos alinhados na mesma direção, uma propriedade conhecida como simetria magnética.

“Nossos experimentos revelaram que quando esse semimetal atinge o ponto em que ele faz a transição para um ímã, a simetria magnética muda ou quebra. Isso é acompanhado por mudanças simultâneas nas posições atômicas em áreas localizadas em comparação com a simetria geral média do material”, disse Qiang Zhang, um cientista de nêutrons na Spallation Neutron Source, ou SNS, do ORNL e autor correspondente que iniciou o estudo.

“Descobrir a existência de quebra de simetria local em um semimetal de Weyl é crucial para entender as propriedades magnéticas e quânticas deste e de outros materiais funcionais.”

Determinar a complexidade estrutural da estrutura cristalina do semimetal envolveu a condução de experimentos nas amostras de cristal em vários instrumentos de nêutrons no ORNL. No SNS, o espectrômetro híbrido HYSPEC foi usado para medir a ordem magnética nos cristais e o difratômetro de pó POWGEN foi usado para determinar o arranjo dos átomos e o efeito da temperatura na amostra. Usando o espectrômetro de nêutrons polarizados de eixo triplo PTAX no High Flux Isotope Reactor do ORNL, ou HFIR, a equipe obteve observações mais sensíveis dos arranjos de spin das amostras.

“Os experimentos de espalhamento de nêutrons, juntamente com nossa técnica de modelagem de dados, podem nos dar uma ideia sobre como os átomos são organizados e como eles interagem entre si”, disse Yuanpeng Zhang, do ORNL, autor correspondente e especialista no desenvolvimento de ferramentas de software para redução e análise de dados de espalhamento de nêutrons.

“Nossos resultados relatados sobre o sistema semimetálico de Weyl e muitos outros relatórios de estudos estruturais com nêutrons confirmaram que a quebra de simetria local desempenha um papel importante na determinação das propriedades de uma ampla gama de materiais funcionais, como em aplicações de armazenamento de energia e sistemas magnéticos.”

Os cientistas esperam que pesquisas futuras sobre esses materiais levem a métodos de controle da simetria magnética localizada em semimetais de Weyl para alterar as propriedades físicas desejadas do material para uso em dispositivos magnéticos projetados.

A equipe incluiu pesquisadores da Neutron Scattering Division, da Materials Science and Technology Division e do Shull Wollan Center no ORNL. O resultado é outra descoberta significativa de um estudo liderado por Qiang Zhang, seguindo um relatório anterior sobre acoplamentos incomuns entre spins no material.