Novo ímã quântico libera potencial eletrônico

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Alguns de nossos itens de uso diário mais importantes, como computadores, equipamentos médicos, aparelhos de som, geradores e muito mais, funcionam por causa de ímãs. Sabemos o que acontece quando os computadores se tornam mais poderosos, mas o que seria possível se os ímanes se tornassem mais versáteis? E se alguém pudesse alterar uma propriedade física que definisse sua usabilidade? Que inovação isso pode catalisar?

É uma questão que os cientistas pesquisadores do MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Hang Chi, Yunbo Ou, Jagadeesh Moodera e seus coautores exploram em um novo artigo de acesso aberto da Nature Communications, “Strain-tunable Berry curvature in quasi-two telureto de cromo tridimensional.”

Compreender a magnitude da descoberta dos autores requer uma breve viagem no tempo: em 1879, um estudante de pós-graduação de 23 anos chamado Edwin Hall descobriu que quando colocou um ímã em ângulo reto com uma tira de metal que tinha uma corrente fluindo através dele, um lado da tira teria uma carga maior que o outro. O campo magnético desviava os elétrons da corrente em direção à borda do metal, fenômeno que seria denominado efeito Hall em sua homenagem.

Na época de Hall, o sistema clássico da física era o único tipo, e forças como a gravidade e o magnetismo agiam sobre a matéria de maneiras previsíveis e imutáveis: assim como deixar cair uma maçã resultaria na queda dela, formando um “T” com uma tira de eletrificada. metal e ímã resultaram no efeito Hall, ponto final. Exceto que não foi, na verdade; agora sabemos que a mecânica quântica também desempenha um papel.

Pense na física clássica como um mapa do Arizona e na mecânica quântica como uma viagem de carro pelo deserto. O mapa fornece uma visão macro e informações generalizadas sobre a área, mas não consegue preparar o motorista para todos os eventos aleatórios que ele pode encontrar, como um tatu atravessando a estrada correndo. Os espaços quânticos, assim como a jornada do motorista, são regidos por um conjunto diferente de regras de trânsito locais. Assim, enquanto o efeito Hall é induzido por um campo magnético aplicado num sistema clássico, num caso quântico o efeito Hall pode ocorrer mesmo sem o campo externo, ponto em que se torna o efeito Hall anômalo.

Ao navegar no reino quântico, estamos equipados com o conhecimento da chamada “fase Berry”, em homenagem ao físico britânico Michael Berry. Serve como um registrador GPS do carro: é como se o motorista tivesse registrado toda a viagem do início ao fim e, analisando o histórico do GPS, pudesse traçar melhor os altos e baixos, ou “curvatura” do espaço. Essa “curvatura Berry” da paisagem quântica pode naturalmente deslocar os elétrons para um lado, induzindo o efeito Hall sem campo magnético, assim como as colinas e vales ditam o caminho do carro.

Embora muitos tenham observado o efeito Hall anômalo em materiais magnéticos, ninguém foi capaz de manipulá-lo apertando e/ou esticando - até que os autores do artigo desenvolveram um método para demonstrar a mudança no efeito Hall anômalo e na curvatura de Berry em um ímã incomum.

Primeiro, eles pegaram bases de meio milímetro de espessura feitas de óxido de alumínio ou titanato de estrôncio, ambos cristais, e criaram uma camada incrivelmente fina de telureto de cromo, um composto magnético, no topo das bases. Por si só, esses materiais não fariam muita coisa; entretanto, quando combinados, o magnetismo do filme e a interface que ele criou com as bases sobre as quais foi cultivado fizeram com que as camadas se esticassem ou comprimissem.

Para aprofundar sua compreensão de como esses materiais funcionavam juntos, os pesquisadores fizeram parceria com a Spallation Neutron Source do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para realizar experimentos de espalhamento de nêutrons - essencialmente explodindo o material com tiros de partículas e estudando o que retornou - para aprender mais sobre as propriedades químicas e magnéticas do filme. Os nêutrons foram uma ferramenta ideal para o estudo porque são magnéticos, mas não possuem carga elétrica. Os experimentos com nêutrons permitiram aos pesquisadores construir um perfil que revelava como os elementos químicos e os comportamentos magnéticos mudavam em diferentes níveis à medida que investigavam mais profundamente o material.