Desvendando o potencial dos materiais magnéticos

Por Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter 4 de fevereiro de 2023

Um material magnético é exposto a dois feixes de laser cujos campos elétricos giram em direções opostas. O material espalha de volta a luz. Se houver diferença entre a intensidade da luz espalhada pelos dois feixes, o material está em uma fase topológica. Crédito: Jörg Harms, MPSD

As fases topológicas não se limitam a sistemas eletrônicos e também podem existir em materiais magnéticos caracterizados por ondas magnéticas, conhecidas como magnons. Embora os cientistas tenham desenvolvido métodos para produzir e medir correntes de magnon, eles ainda precisam observar diretamente uma fase topológica de magnon.

Um magnon viaja através de um material magnético perturbando sua ordem magnética, semelhante a como uma onda sonora viaja pelo ar. Essa ordem pode ser imaginada como uma coleção de piões compartilhando um eixo de rotação específico. O efeito da onda é inclinar levemente os eixos em torno dos quais os piões estão girando.

Uma fase magnon topológica está associada a canais que podem transportar uma corrente de magnons ao longo das bordas da amostra. Os pesquisadores esperam que esses canais de borda possam ser utilizados para transportar informações em futuros dispositivos spintrônicos, de forma análoga a como as correntes elétricas são usadas para transmitir sinais em dispositivos eletrônicos. No entanto, antes que essas tecnologias possam ser realizadas, os cientistas precisam encontrar uma maneira de validar se uma fase magnética é topológica ou não.

The transatlantic research team studied a class of magnetic materials structurally similar to grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> grafeno e os expôs à luz do laser com uma polarização direita ou esquerda, onde o campo elétrico do laser gira no sentido horário ou anti-horário em torno do eixo do feixe de laser. Os pesquisadores analisaram a luz espalhada pelo material e mostraram que, se a intensidade espalhada for diferente para as duas polarizações, o material está em uma fase topológica. Por outro lado, se não houver diferença na intensidade da luz espalhada, o material não está em uma fase topológica. As propriedades da luz espalhada atuam como indicadores claros das fases topológicas nesses materiais magnéticos.

A técnica é fácil de implantar e também pode ser estendida a outras quasipartículas, diz o principal autor Emil Viñas Boström: "O espalhamento Raman é uma técnica experimental padrão disponível em muitos laboratórios, que é um dos pontos fortes desta proposta. Além disso, nossa os resultados são bastante gerais e se aplicam igualmente bem a outros tipos de sistemas que consistem em fônons, éxcitons ou fótons."

A longo prazo, espera-se que os magnons possam ser usados ​​para construir dispositivos tecnológicos mais sustentáveis ​​com um consumo de energia muito menor: "A utilização de correntes magnon topológicas poderia potencialmente reduzir o consumo de energia de futuros dispositivos em um fator de cerca de 1.000 em comparação com os eletrônicos dispositivos - embora haja muitos problemas a serem resolvidos até chegarmos a esse ponto", diz Viñas Boström.

Reference: "Direct Optical Probe of Magnon Topology in Two-Dimensional Quantum Magnets" by Emil Viñas Boström, Tahereh Sadat Parvini, James W. McIver, Angel Rubio, Silvia Viola Kusminskiy and Michael A. Sentef, 13 January 2023, Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.026701/p>