Ilustração da direção da rotação do elétron

A direção do spin de um elétron é determinada pela direção do movimento dos elétrons. Crédito: © Hans-Joachim Elmers / JGU

Pesquisadores da Universidade de Mainz conseguiram visualizar a terceira classe de magnetismo, chamada altermagnetismo, em ação.

O ferromagnetismo e o antiferromagnetismo são conhecidos há muito tempo pelos cientistas como duas classes de ordem magnética de materiais. Em 2019, pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU) postularam uma terceira classe de magnetismo, chamada altermagnetismo. Este altermagnetismo tem sido objeto de acalorado debate entre os especialistas desde então, com alguns expressando dúvidas sobre a sua existência.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores experimentais liderada pelo professor Hans-Joachim Elmers da JGU conseguiu medir pela primeira vez DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) efeito que é considerado uma assinatura do altermagnetismo, fornecendo assim evidências da existência deste terceiro tipo de magnetismo. Os resultados da pesquisa foram publicados em Avanços da Ciência.

Altermagnetismo – uma nova fase magnética

Enquanto os ferromagnetos, que todos conhecemos dos ímãs de geladeira, têm todos os seus momentos magnéticos alinhados na mesma direção, os antiferromagnetos têm momentos magnéticos alternados. Assim, no nível macroscópico, os momentos magnéticos dos antiferromagnetos se anulam, de modo que não há campo magnético externo – o que faria com que ímãs de geladeira feitos desse material simplesmente caíssem da porta da geladeira. Os momentos magnéticos nos alterímãs diferem na forma como são orientados.

“Os alterímãs combinam as vantagens dos ferromagnetos e antiferromagnetos. Seus momentos magnéticos vizinhos são sempre antiparalelos entre si, como nos antiferromagnetos, portanto não há efeito magnético macroscópico, mas, ao mesmo tempo, exibem uma corrente polarizada por spin – assim como os ferromagnetos”, explicou o professor Hans-Joachim Elmers, chefe do grupo de Magnetismo do Instituto de Física da JGU.

Movendo-se na mesma direção com rotação uniforme

As correntes elétricas geralmente geram campos magnéticos. Porém, se considerarmos um alterímã como um todo, integrando a polarização de spin nas bandas eletrônicas em todas as direções, torna-se aparente que o campo magnético deve ser zero apesar da corrente polarizada por spin. Se, por outro lado, a atenção estiver restrita aos elétrons que se movem numa determinada direção, a conclusão é que eles devem ter um spin uniforme.

“Este fenômeno de alinhamento não tem nada a ver com arranjos espaciais ou onde os elétrons estão localizados, mas apenas com a direção da velocidade do elétron”, acrescentou Elmers. Como a velocidade (v) vezes a massa (M) é igual ao momento (P), os físicos usam o termo “espaço de momento” neste contexto. Este efeito foi previsto no passado por grupos teóricos da JGU liderados pelo Professor Jairo Sinova e Dr. Libor Šmejkal.

Prova obtida usando microscopia eletrônica de momento

“Nossa equipe foi a primeira a verificar experimentalmente o efeito”, disse Elmers. Os pesquisadores usaram um microscópio de impulso especialmente adaptado. Para o experimento, a equipe expôs uma fina camada de dióxido de rutênio aos raios X. A excitação resultante dos elétrons foi suficiente para sua emissão da camada de dióxido de rutênio e sua detecção. Com base na distribuição de velocidade, os pesquisadores conseguiram determinar a velocidade dos elétrons no dióxido de rutênio. E usando raios X polarizados circularmente, eles foram capazes de inferir as direções de rotação.

Para o seu microscópio de momento, os pesquisadores mudaram o plano focal que normalmente é usado para observação em microscópios eletrônicos padrão. Em vez de uma imagem ampliada da superfície do filme de óxido de rutênio, o detector mostrou uma representação do espaço de momento. “Diferentes momentos aparecem em diferentes posições no detector. Simplificando, as diferentes direções nas quais os elétrons se movem em uma camada são representadas por pontos correspondentes no detector”, disse Elmers.

O altermagnetismo também pode ser relevante para a spintrônica. Isso envolveria o uso do momento magnético dos elétrons em vez de sua carga na memória dinâmica de acesso aleatório. Como resultado, a capacidade de armazenamento poderia ser significativamente aumentada. “Nossos resultados podem ser a solução para um grande desafio no campo da spintrônica”, sugeriu Elmers. “Explorar o potencial dos alterímãs tornaria mais fácil a leitura das informações armazenadas com base na polarização do spin nas bandas eletrônicas.”

Referências:

“Observação da quebra de simetria de reversão de tempo na estrutura de banda do RuO2 altermagnético” por Olena Fedchenko, Jan Minár, Akashdeep Akashdeep, Sunil Wilfred D’Souza, Dmitry Vasiliev, Olena Tkach, Lukas Odenbreit, Quynh Nguyen, Dmytro Kutnyakhov, Nils Wind, Lukas Wenthaus, Markus Scholz, Kai Rossnagel, Moritz Hoesch, Martin Aeschlimann, Benjamin Stadtmüller, Mathias Kläui, Gerd Schönhense, Tomas Jungwirth, Anna Birk Helenes, Gerhard Jakob, Libor Šmejkal, Jairo Sinova e Hans-Joachim Elmers, 31 de janeiro de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adj4883

“Emerging Research Landscape of Altermagnetism” por Libor Šmejkal, Jairo Sinova e Tomas Jungwirth, 8 de dezembro de 2022, Revisão Física X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.12.040501



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