Pesquisadores do MIT mostram como a topologia pode ajudar os materiais a produzir magnetismo em temperaturas mais altas. Durante anos, os pesquisadores trabalharam para entender o arranjo eletrônico, ou topologia, e o magnetismo em certos semimetais, mas, frustrantemente, esses materiais só exibem magnetismo quando resfriados a alguns graus acima do zero absoluto.
Um novo estudo liderado por Mingda Li, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT, e coautor de Nathan Drucker, pesquisador assistente graduado no MIT Quantum Measurement Group e estudante de doutorado em física aplicada na Universidade de Harvard, e Thanh Nguyen e Phum Siriviboon, estudantes de pós-graduação no MIT Quantum Measurement Group, está desafiando essa visão tradicional.
A pesquisa, publicada na revista Nature Communications, é a primeira a demonstrar que a topologia pode estabilizar o ordenamento magnético mesmo bem acima da temperatura de transição magnética – o ponto em que o magnetismo normalmente se rompe.
“Uma analogia que gosto de usar para descrever porque isto funciona é imaginar um rio cheio de troncos, e os troncos representam os momentos magnéticos no material”, disse Drucker, o principal autor do artigo. "Para que o magnetismo funcione, é necessário que todas essas toras apontem na mesma direção, ou algum padrão entre elas. Mas em altas temperaturas, onde os momentos magnéticos apontam todos em direções diferentes, como toras em um rio, o magnetismo se desfaz."
Ele continuou: "Mas o que é importante neste estudo é que na verdade é a água que está mudando. O que mostramos é que se você alterar as propriedades da água em si, em vez das propriedades dos troncos, você pode alterar a interação entre os troncos para criar magnetismo."
O papel da topologia no aumento do magnetismo
Essencialmente, disse Li, o artigo revela como uma topologia conhecida como nó de Weyl encontrada em CeAlGe, um semimetal exótico composto de cério, alumínio e germânio, pode aumentar significativamente a temperatura operacional de dispositivos magnéticos, abrindo a porta para uma ampla gama de aplicações.
Embora materiais topológicos tenham sido usados para fabricar sensores, giroscópios e muito mais, eles também são amplamente utilizados em áreas como microeletrônica, termoelétrica e dispositivos catalíticos. Nguyen disse que este estudo mostra uma maneira de manter o magnetismo em temperaturas mais altas, abrindo a porta para mais possibilidades. Muitas oportunidades foram demonstradas neste e em outros materiais topológicos. Isto demonstra uma abordagem geral que pode aumentar significativamente as temperaturas de operação destes materiais.
Linda Ye, professora assistente de física na Divisão de Física, Matemática e Astronomia do Caltech, acrescentou que este resultado “bastante surpreendente e contra-intuitivo” terá um impacto significativo em trabalhos futuros em materiais topológicos.
O trabalho de pesquisa mostra que os nós topológicos eletrônicos não apenas desempenham um papel na estabilização da ordem magnética estática, mas, de maneira mais geral, podem desempenhar um papel na geração de flutuações magnéticas. Uma conclusão natural a tirar disto é que o impacto dos estados topológicos dos poços nos materiais pode ser muito maior do que se pensava anteriormente.
O professor de física da Universidade de Princeton, Andre Bonnevig, concordou, chamando a descoberta de "intrigante e bastante notável. Sabe-se que os nós de Weyls são topologicamente protegidos, mas o impacto dessa proteção nas propriedades termodinâmicas da fase não é totalmente claro. O artigo da equipe do MIT mostra que a ordem de curto alcance acima da temperatura de ordem é governada por vetores de onda aninhados entre os férmions de Weyl que aparecem no sistema... Isso pode indicar que a proteção dos nós de Weyls afeta as flutuações magnéticas até certo ponto!"
Desvendando o mistério do magnetismo
Embora estes resultados surpreendentes desafiem a compreensão de longa data do magnetismo e da topologia, são o resultado de experiências cuidadosas e da vontade da equipa de investigação em explorar áreas que podem ter sido negligenciadas.
“Nossa hipótese é que não há novas descobertas acima da temperatura de transição magnética”, explica Li. "Usamos cinco métodos experimentais diferentes para criar esta história abrangente e montar o quebra-cabeça de maneira consistente."
Para demonstrar a existência de magnetismo em temperaturas mais altas, os pesquisadores primeiro combinaram cério, alumínio e germânio em um forno para formar cristais milimétricos do material. As amostras foram então submetidas a uma série de testes, incluindo testes de condutividade térmica e elétrica, cada um dos quais revelou pistas sobre o comportamento magnético incomum do material.
“No entanto, também utilizamos alguns métodos mais exóticos para testar o material”, disse Drucker. "Atingimos o material com um feixe de raios X com o mesmo nível de energia que o cério no material e depois medimos como o feixe foi espalhado. Esses testes tiveram que ser feitos numa grande instalação num laboratório nacional do Departamento de Energia. Em última análise, tivemos que fazer experiências semelhantes em três laboratórios nacionais diferentes para provar que havia esta ordem oculta ali, e foi assim que encontrámos as evidências mais fortes."
"Parte do desafio é que muitas vezes é muito difícil fazer esse tipo de experimento em materiais topológicos, e muitas vezes só é possível fornecer evidências indiretas", disse Nguyen. "O que se faz neste caso é realizar múltiplas experiências com sondas diferentes e, quando as juntamos, dão-nos uma história muito abrangente. Neste caso, havia cinco ou seis pistas diferentes e um monte de instrumentos e medições que desempenharam um papel neste estudo."
影响和未来方向
No futuro, a equipe planeja explorar se a relação entre topologia e magnetismo pode ser demonstrada em outros materiais. Eles acreditam que este princípio é universal. Portanto, isso pode existir em muitos outros materiais, o que amplia nossa compreensão do papel da topologia. Sabíamos que poderia desempenhar um papel no aumento da condutividade eléctrica e agora demonstrámos que também pode desempenhar um papel no magnetismo.
Outros trabalhos futuros também abordarão possíveis aplicações de materiais topológicos, incluindo a sua utilização em dispositivos termoelétricos, que podem converter calor em eletricidade. Embora esses dispositivos já sejam usados para alimentar dispositivos pequenos como relógios, eles não são eficientes o suficiente para alimentar telefones celulares ou outros dispositivos maiores.
"Estudamos muitos materiais termoelétricos excelentes e todos são materiais topológicos", disse Li. "Se conseguissem demonstrar este desempenho utilizando o magnetismo... libertariam propriedades termoeléctricas muito boas. Isto iria ajudá-los a operar a temperaturas mais elevadas, por exemplo. Neste momento, muitas células solares só podem funcionar a temperaturas muito baixas para recolher o calor residual. Uma consequência muito natural disto é que serão capazes de operar a temperaturas mais elevadas."
Este estudo mostra conclusivamente que, embora os materiais semimetálicos topológicos tenham sido estudados há muitos anos, relativamente pouco se sabe sobre suas propriedades.
“Penso que o nosso trabalho destaca o facto de que quando olhamos para estas diferentes escalas e usamos diferentes experiências para estudar alguns destes materiais, de facto, algumas propriedades termoelétricas, elétricas e magnéticas muito importantes começam a aparecer”, disse Drucker. "Portanto, acho que isso fornece um acompanhamento não apenas de como podemos usar essas coisas para diferentes aplicações, mas também de outras pesquisas fundamentais sobre como podemos compreender melhor os efeitos dessas flutuações térmicas."