Cristal altermagnético: não apenas as direções de polarização do spin (em magenta e ciano) se alternam nos átomos magnéticos vizinhos, mas também as próprias formas atômicas – como mostrado pela inclinação das densidades eletrônicas em forma de haltere em duas direções diferentes. A linha de luz azul ilustra o experimento de fotoemissão em um síncrotron que foi usado para demonstrar o altermagnetismo. Crédito: Libor Šmejkal e Anna Birk Helenos / JGU
O terceiro ramo do magnetismo foi demonstrado experimentalmente no telureto de manganês, abrindo oportunidades para novas direções de pesquisa.
Um estudo recente publicado em Natureza revela que uma equipe internacional de cientistas desafiou a divisão convencional do magnetismo em dois tipos: o ferromagnetismo, conhecido há milhares de anos, e o antiferromagnetismo, identificado há cerca de um século. Os investigadores demonstraram agora com sucesso, através de experiências diretas, um terceiro tipo de magnetismo – o altermagnetismo – que tinha sido teoricamente previsto por cientistas da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz e da Academia Checa de Ciências em Praga vários anos antes.
Limitações dos ramos magnéticos anteriormente conhecidos para tecnologias de informação
Geralmente pensamos em um ímã como um ferromagneto, que possui um forte campo magnético que mantém uma lista de compras na porta de uma geladeira ou permite o funcionamento de um motor elétrico em um carro elétrico. O campo magnético de um ferromagneto é criado quando o campo magnético de milhões de seus átomos está alinhado na mesma direção. Este campo magnético também pode ser usado para modular a corrente elétrica em componentes de tecnologia da informação (TI).
Ao mesmo tempo, porém, o campo ferromagnético representa uma séria limitação à escalabilidade espacial e temporal dos componentes. Assim, um foco significativo de pesquisa nos últimos anos tem sido no segundo ramo dos ímãs, o antiferromagnético. Os antiferromagnetos são materiais menos conhecidos, mas muito mais comuns na natureza, onde as direções dos campos magnéticos atômicos em átomos adjacentes são escalonadas como as cores branca e preta em um tabuleiro de xadrez. Assim, os antiferromagnetos como um todo não criam campos magnéticos indesejáveis, mas infelizmente são tão antimagnéticos que ainda não encontraram aplicações ativas na tecnologia da informação.
Altermagnets combinam vantagens “incompatíveis”
Os alterímãs recentemente previstos combinam as vantagens dos ferromagnetos e antiferromagnetos, que eram considerados fundamentalmente incompatíveis, e também têm outros benefícios exclusivos não encontrados em outros ramos. Os alterímãs podem ser considerados arranjos magnéticos onde se alternam não apenas os momentos atômicos dos átomos vizinhos, mas também a orientação dos átomos no cristal. Assim, os alterímãs não criam um campo magnético no exterior, mas os elétrons no interior sentem um campo magnético que é efetivamente 1.000 vezes mais forte que o campo do ímã na geladeira. Esses campos podem modular correntes elétricas semelhantes aos ferromagnetos e são, portanto, potencialmente muito atraentes para aplicações em futuras nanoeletrônicas ultraescaláveis.
Além disso, os cientistas identificaram mais de 200 materiais candidatos ao altermagnetismo com propriedades que abrangem isolantes, semicondutores, metais e até supercondutores. Grupos de investigação investigaram muitos destes materiais no passado, mas a sua natureza altermagnética permaneceu escondida deles.
Teóricos previram o ramo altermagnético há cinco anos
A partir de 2019, uma equipe da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz e do Instituto de Física de Praga publicou uma série de artigos nos quais identificaram teoricamente materiais magnéticos não convencionais. Em 2021, a mesma equipe do Dr. Libor Šmejkal, do professor Jairo Sinova e do professor Tomas Jungwirth previu que esses materiais formam um terceiro tipo fundamental de magnetismo, que eles chamaram de altermagnetismo e cuja estrutura cristalina e magnética é completamente diferente dos ferromagnetos e antiferromagnetos convencionais. .
Uma vez que o altermagnetismo abre amplas e sem precedentes possibilidades de investigação e aplicação, quase imediatamente após a previsão teórica surgiu uma onda de estudos de acompanhamento por grupos de investigação de todo o mundo. Posteriormente, era uma questão de saber quando a evidência experimental direta seria disponibilizada.
Evidência experimental realizada em um material considerado durante décadas como um “antiferromagneto clássico”
Uma equipe internacional de pesquisadores forneceu agora essas evidências em um estudo publicado em Natureza. Os pesquisadores decidiram examinar os cristais de um candidato altermagnético simples de dois elementos – o telureto de manganês (MnTe). Tradicionalmente, este material tem sido considerado um dos antiferromagnetos clássicos porque os momentos magnéticos nos átomos vizinhos de manganês apontam em direções opostas e, portanto, não criam um campo magnético externo ao redor do material.
Agora, pela primeira vez, os cientistas conseguiram demonstrar diretamente o altermagnetismo do MnTe. Eles usaram previsões teóricas para navegar em qual direção “a luz” “brilharia” em cristais de MnTe de alta qualidade em um experimento de fotoemissão. A equipe mediu as estruturas de bandas, que são mapas que os físicos usam para descrever as propriedades dos elétrons nos cristais, em um síncrotron. Eles foram então capazes de mostrar que, apesar da ausência de um campo magnético externo, os estados eletrônicos no MnTe são fortemente divididos por spin. A escala e a forma da divisão do spin correspondem perfeitamente à divisão altermagnética prevista usando cálculos da mecânica quântica.
Além disso, os pesquisadores conseguiram detectar pela primeira vez a polarização de spin das bandas. “Esta é uma evidência direta de que o MnTe não é um antiferromagneto convencional nem um ferromagneto convencional, mas pertence a um novo ramo altermagnético de materiais magnéticos”, disse o Dr. Libor Šmejkal da JGU, principal autor da parte teórica do artigo.
O estudo baseou-se na experiência de investigadores do Instituto de Física da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, na Alemanha, em colaboração com cientistas da Academia Checa de Ciências em Praga, do Instituto Paul Scherrer na Suíça, da Universidade da Boémia Ocidental em Pilsen, da Universidade de Linz, na Áustria, o Universidade de Nottingham no Reino Unido e na Universidade Charles em Praga.
A descoberta do altermagnetismo abre novos rumos de pesquisa
“Após as primeiras previsões e com o rápido crescimento do interesse mundial no altermagnetismo, estamos muito satisfeitos por termos podido contribuir para a demonstração experimental em MnTe”, disse o Dr. Libor Šmejkal da Universidade de Mainz.
O professor Jairo Sinova, diretor do grupo Interdisciplinary Spintronics Research Group (INSPIRE) e do Spin Phenomena Interdisciplinary Center (SPICE) da JGU e coautor do estudo, acrescentou: “A descoberta do altermagnetismo deu início a novos rumos na pesquisa global em novos princípios físicos e materiais para componentes de TI altamente escaláveis e energeticamente eficientes.” Notavelmente, o campo está esquentando e vários outros estudos apareceram recentemente, confirmando várias outras propriedades de materiais altermagnéticos. A descoberta do altermagnetismo parece, portanto, ser apenas o começo de uma nova e excitante era no magnetismo.
Referência: “Levantamento altermagnético da degeneração do spin de Kramers” por J. Krempaský, L. Šmejkal, SW D’Souza, M. Hajlaoui, G. Springholz, K. Uhlířová, F. Alarab, PC Constantinou, V. Strocov, D. Usanov , WR Pudelko, R. González-Hernández, A. Birk Helenes, Z. Jansa, H. Reichlová, Z. Šobán, RD Gonzalez Betancourt, P. Wadley, J. Sinova, D. Kriegner, J. Minár, JH Dil e T. Jungwirth, 14 de fevereiro de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06907-7
