Um diagrama de rotações antiferromagnéticas.

Obtendo uma melhor compreensão das topologias de banda eletrônica por meio de materiais Dirac Matter

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Esses materiais, conhecidos como materiais dirac, têm despertado grande interesse de pesquisadores, especificamente pela física quântica de muitos corpos que provavelmente se desdobram neles e também para possíveis aplicações em eletrônica.

Publicado na revista Physical Review Letters, a pesquisa da equipe é descrita por Run Yang, um pós-doc, e Matteo Corasaniti, Ph.D. aluno do grupo de espectroscopia óptica do professor Leonardo Degiorgi no Laboratório de Física do Estado Sólido. O projeto de pesquisa foi realizado em conjunto com colaboradores da Academia Chinesa de Ciências e do Laboratório Nacional Brookhaven.

Um material para a eletrônica de amanhã

Matéria de Dirac é um termo que se refere a uma classe de sistemas de matéria condensada que pode ser descrita pela equação de Dirac, uma equação relativística que descreve o comportamento de uma partícula carregada massiva. Essencialmente, é a equação da onda de Schrödinger com a relatividade lançada. Os materiais da matéria Dirac apresentam propriedades incomuns, como elétrons, que agem como se não tivessem massa, e incluem grafeno, isoladores topológicos, dichalicogenetos de metais de transição e semimetais de Dirac.

O potencial dos nanomateriais na eletrônica de última geração

Esses materiais Dirac são uma classe de nanomateriais funcionais complexos que devem ter aplicações benéficas na próxima geração de eletrônicos. Suas propriedades, que não são encontradas nos materiais eletrônicos atuais, ocorrem devido a fortes ligações entre rotação, carga e estrutura que teoricamente permitem o desenvolvimento de compósitos magnéticos ou supercondutores.

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Embora a matéria Dirac e outros materiais topológicos sejam alguns dos sistemas de matéria condensada mais pesquisados ​​atualmente, existem apenas alguns exemplos em que a topologia das bandas eletrônicas foi vinculada de maneira bem definida às propriedades magnéticas dos materiais.

Um desses exemplos é o de CaMnBi2, um material onde foi encontrada a ligação entre magnetismo e estados eletrônicos topológicos. Em suas pesquisas, os físicos da ETH Zurich oferecem provas de que uma “cutucada leve” na inclinação do material neste material pode causar variações consideráveis ​​em sua estrutura de banda eletrônica.

Um diagrama de rotações antiferromagnéticas.

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Diagrama da ordem antiferromagnética e antiferromagnética inclinada. As rotações são inclinadas em relação ao eixo c fácil, levando a uma contribuição ferromagnética no plano ortogonal ao eixo representado por setas verdes. Imagem usada como cortesia para ETH Zurich

Explorando as propriedades do CaMnBi2

O material e seu composto associado SrMnBi2 despertaram um interesse considerável porque exibem magnetismo quântico. À temperatura ambiente e abaixo, os íons de manganês nesses compostos são ordenados antiferromagneticamente e também hospedam elétrons dirac simultaneamente.

O fato de uma interação ocorrer entre as duas características já foi assumido há muito tempo, e o que é significativo é que um “choque” imprevisto ocorre nas propriedades de condução desses materiais em torno de 50 K. No entanto, a natureza exata dessa anomalia não foi entendida. até agora.

O método de magnetometria de torque

Em estudos anteriores envolvendo CaMnBi2, onde os pesquisadores da ETH exploraram suas propriedades ópticas, Corasaniti, Yang e colegas já haviam estabelecido uma conexão com as características eletrônicas do material.

Especificamente, os pesquisadores exploraram o fato de que a anomalia do tipo inchaço que é vista nas propriedades de transporte pode ser alterada na temperatura, substituindo uma fração dos átomos de cálcio por átomos de sódio.

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Em uma tentativa de entender as origens diminutas do comportamento observado, a equipe de pesquisa analisou amostras com dopagens variadas de sódio por magnetometria de torque. Usando esse método, o torque em uma amostra magnética pode ser quantificado, expondo-o a um campo adequadamente poderoso, assim como a agulha de uma bússola se alinha ao campo magnético da Terra. Os pesquisadores afirmam que esse método foi bem-sucedido em expor as origens da anomalia.

Vinculando propriedades magnéticas e eletrônicas

Ao realizar seus experimentos de torque magnético, os físicos descobriram que, a temperaturas mais baixas, onde a anomalia existe, o comportamento magnético não é mais semelhante ao que se pode esperar de um antiferromagnet. Aqui, surgiu um componente ferromagnético que pode ser elucidado por uma projeção de momentos magnéticos no plano ortogonal ao eixo c de rotação fácil da ordem antiferromagnética inicial. Isso é conhecido como rotação giratória e é causado por um mecanismo de super-troca.

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