Cientistas descobrem comportamento de excitons em ímãs de van der Waals

Um grupo de pesquisa liderado por cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriu detalhes sobre a formação e o comportamento de objetos móveis, microscópicos e semelhantes a partículas, chamados “excitons”, em uma classe de materiais conhecidos como ímãs de van der Waals.

O trabalho deles ajuda a estabelecer uma imagem da complexa relação entre as propriedades ópticas e magnéticas desses materiais, que exibem características intrigantes que podem um dia levar a novas tecnologias baseadas no magnetismo, como o armazenamento de informações.

O estudo é descrito em um artigo publicado na edição online de 25 de abril de 2024 do periódico Comunicações da Natureza.

Os pesquisadores estudaram o material cristalino, trissulfeto de níquel e fósforo (NiPS₃), usando a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), uma instalação de usuário do DOE Office of Science localizada em Brookhaven. A NSLS-II produz feixes intensos de luz de raios X que são usados ​​para estudar uma ampla gama de materiais e amostras biológicas, de compostos de baterias a proteínas.

Um exciton consiste em um elétron e um “buraco” — um espaço em um cristal que não tem um elétron e se comporta como uma partícula carregada positivamente — que são acoplados e se movem como uma unidade. Descobrindo excitons em NiPS₃ despertou um interesse significativo neste material específico de van der Waals.

Isso se deve à possível forte ligação entre os excitons e a estrutura magnética subjacente, sugerindo uma rota para entender, e talvez até mesmo controlar, os excitons via magnetismo. Mas, apesar de vários estudos, os cientistas não conseguiram até agora descobrir a estrutura e o movimento do exciton em NiPS₃.

O grupo enfrentou esse desafio usando uma técnica de raios X conhecida como espalhamento inelástico ressonante de raios X (RIXS), disponível na linha de luz Soft Inelastic X-ray Scattering (SIX) do NSLS-II. Esta estação experimental de ponta foi projetada para usar os feixes de raios X ultrabrilhantes do NSLS-II para estudar as propriedades eletrônicas de materiais sólidos, revelando comportamentos de energia em uma resolução muito alta.

“Qual é a natureza fundamental de um exciton? Como ele interage com o magnetismo? Essas são duas das perguntas que recorremos ao RIXS para nos ajudar a responder”, disse o físico de Brookhaven Mark Dean, um dos autores do artigo.

No RIXS, os fótons de raios X atingem os elétrons no material e se espalham em muitas direções. No SIX, os cientistas podem “capturar” esses fótons e medir seus momentos e energias com resolução extremamente alta. Com essas informações, usando software desenvolvido em Brookhaven, eles podem trabalhar de trás para frente para estudar as propriedades dos elétrons e buracos no material.

Eles descobriram que a formação e propagação do exciton através do NiPS₃ cristal é governado por um princípio da física chamado interação de troca de Hund. Esta regra dita a energia de diferentes configurações de spin do elétron, o pequeno momento magnético “para cima” ou “para baixo” transportado por cada elétron. Em NiPS₃essa troca de Hund fornece a energia necessária para a formação do éxciton.

Os pesquisadores também descobriram que o exciton se dispersa pelo cristal de uma forma semelhante a um tipo de perturbação de spin chamada “duplo-magnon”, outra quasipartícula. Magnons, que são excitações coletivas de spins de elétrons em uma rede cristalina, são outra faceta dos comportamentos eletrônicos e magnéticos entrelaçados nos ímãs de van der Waals.

“Nos próximos anos, à medida que a instrumentação e as técnicas como RIXS e microscopia eletrônica forem mais desenvolvidas, esperamos ser capazes de fazer medições ainda melhores de NiPS₃“, disse o pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor do estudo Wei He. “Acreditamos que este material tem um potencial extraordinário para abrir um caminho para o uso de excitons de Hund magnéticos para realizar novas formas de informação magnética controlável.”