Os pesquisadores fizeram avanços significativos na compreensão dos eletromagnons, excitações híbridas em sólidos, conduzindo experimentos na SwissFEL. Eles revelaram como as vibrações da rede e os spins interagem, com os movimentos atômicos precedendo os movimentos de spin. Esta descoberta, crítica para o controle ultrarrápido do magnetismo com luz, também tem implicações mais amplas para a compreensão de processos físicos complexos, como a supercondutividade em alta temperatura.
Os raios X revelam o movimento sincronizado da rede e dos spins atômicos.
Os cientistas descobriram a interação entre as vibrações da rede e os spins em uma excitação híbrida chamada eletromagnon, usando uma combinação única de experimentos no laser de elétrons livres de raios X SwissFEL. Esta descoberta em nível atômico abre caminho para a manipulação ultrarrápida do magnetismo usando luz.
Dentro da rede atômica de um sólido, as partículas e suas diversas propriedades cooperam em movimentos ondulatórios conhecidos como excitações coletivas. Quando os átomos em uma rede se agitam, a excitação coletiva é conhecida como fônon. Da mesma forma, quando os spins atômicos – a magnetização dos átomos – se movem juntos, isso é conhecido como magnon.
A situação fica mais complexa. Algumas dessas excitações coletivas conversam entre si nas chamadas excitações híbridas. Uma dessas excitações híbridas é um eletromagnon. Os eletromagnons recebem esse nome devido à capacidade de excitar os spins atômicos usando o campo elétrico da luz, em contraste com os magnons convencionais: uma perspectiva interessante para inúmeras aplicações técnicas. No entanto, a sua vida secreta a nível atómico não é bem compreendida.
Hiroki Ueda, primeiro autor do artigo, trabalhando no novo experimental Furka na SwissFEL Aqui, usando raios X suaves, Ueda e colegas puderam revelar o movimento dos spins durante um eletromagnon em Furka, complementando medições de raios X duros de vibrações da rede feito na estação experimental Bernina. Crédito: Instituto Paul Scherrer / Markus Fischer
Suspeita-se que durante um eletromagnon os átomos na rede se mexem e os spins oscilam em uma excitação que é essencialmente uma combinação de um fônon e um magnon. No entanto, desde que foram propostos pela primeira vez em 2006, apenas o movimento de rotação foi medido. Como os átomos dentro da rede se movem – se é que se movem – permanece um mistério. O mesmo ocorre com a compreensão de como os dois componentes se comunicam.
Agora, em uma série sofisticada de experimentos no laser suíço de elétrons livres de raios X SwissFEL, os pesquisadores do PSI adicionaram essas peças que faltavam ao quebra-cabeça. “Com uma melhor compreensão de como funcionam estas excitações híbridas, podemos agora começar a procurar oportunidades para manipular o magnetismo numa escala de tempo ultrarrápida,” explica Urs Staub, chefe do Grupo de Microscopia e Magnetismo da PSI, que liderou o estudo.
Primeiro os átomos, depois os spins
Em seus experimentos na SwissFEL, os pesquisadores usaram um pulso de laser terahertz para induzir um eletromagnon em um cristal de hexaferrita multiferróica. Usando experimentos de difração de raios X resolvidos no tempo, eles tiraram instantâneos ultrarrápidos de como os átomos e os spins se moviam em resposta à excitação. Com isso, eles provaram que os átomos dentro da rede realmente se movem em um eletromagnon e também revelaram como a energia é transferida entre a rede e o spin.
Um resultado surpreendente do seu estudo foi que os átomos se movem primeiro, com os spins movendo-se um pouco mais tarde. Quando o pulso terahertz atinge o cristal, o campo elétrico coloca os átomos em movimento, iniciando a parte fonônica do eletromagnon. Este movimento cria um campo magnético efetivo que posteriormente move os spins.
“Nossos experimentos revelaram que a excitação não move os spins diretamente. Anteriormente não estava claro se este seria o caso”, explica Hiroki Ueda, cientista de linhas de luz da SwissFEL e primeiro autor da publicação.
Indo além, a equipe também poderia quantificar quanta energia o componente fonônico adquire do pulso de terahertz e quanta energia o componente magnônico adquire através da rede. “Esta é uma informação importante para futuras aplicações em que se pretenda acionar o sistema magnético”, acrescenta Ueda.
Um laser de elétrons livres, duas linhas de luz, dois modos de cristal
A chave para sua descoberta foi a capacidade de medir tanto os movimentos atômicos quanto os spins em experimentos complementares de difração de raios X resolvidos no tempo nas linhas de luz de raios X duros e moles do SwissFEL.
Usando raios X fortes na estação experimental de Bernina, a equipe estudou o movimento dos átomos dentro da rede. A configuração recentemente desenvolvida da estação experimental, incluindo câmaras de amostra especialmente projetadas, permite medições ultrarrápidas exclusivas usando campos terahertz em sólidos a temperaturas muito baixas.
Para estudar o movimento dos spins, a equipe utilizou raios X suaves, que são mais sensíveis às mudanças nos sistemas magnéticos. Esses experimentos foram realizados na estação experimental Furka, que entrou recentemente em operação de usuário. Ao sintonizar a energia dos raios X com uma ressonância no material, eles poderiam focar especificamente no sinal dos spins – informação que geralmente é mascarada.
“A medição da parte fonônica sozinha em Bernina foi um grande avanço. Poder acessar também o movimento magnético com Furka é uma possibilidade experimental que não existe em quase nenhum outro lugar do mundo”, comenta Staub.
O princípio fundamental é importante para a nossa compreensão de outros processos físicos
Ueda, Staub e colegas forneceram uma compreensão da origem microscópica de um eletromagnon. Esta compreensão é importante não apenas para este processo físico, mas num sentido mais geral.
As interações fundamentais entre a rede e os spins sustentam muitos efeitos físicos que dão origem a propriedades materiais incomuns – e potencialmente muito úteis: por exemplo, supercondutividade em alta temperatura. Somente com uma melhor compreensão de tais efeitos vem o controle.
Referência: Hiroki Ueda, Roman Mankowsky, Eugenio Paris, Mathias Sander, Yunpei Deng, Biaolong Liu, Ludmila Leroy, Abhishek Nag, Elizabeth Skoropata, Chennan Wang, Victor Ukleev, Gerard Sylvester Perren, Janine Dössegger, Sabina Gurung, Christian Svetina, Elsa Abreu , Matteo Savoini, Tsuyoshi Kimura, Luc Patthey, Elia Razzoli, Henrik Till Lemke, Steven Lee Johnson e Urs Staub, 27 de novembro de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-43581-9
