Magnetismo sem ordem magnética explica propriedades intrigantes em composto raro

Em alguns materiais, as propriedades físicas não emergem apenas das partículas individuais, mas sim do comportamento coletivo de suas espínulas quânticas. Pesquisadores liderados por Pengcheng Dai, da Universidade Rice nos Estados Unidos, descobriram que em um composto contendo o elemento raro ytterbium, essas espínulas podem se comportar muito como as moléculas em um cristal líquido: tendem a uma direção preferencial sem se alinhar para criar magnetismo em escala maior.

Estado intermediário

A espínula é uma propriedade quântica de partículas, como elétrons, que basicamente transforma essas partículas em pequenos ímãs apontando em direções específicas. Quando múltiplas espínulas interagem, as paternidades que formam podem influenciar fortemente como um material conduz eletricidade e calor. Em ímãs normais, as espínulas se alinham para criar uma magnetização global - mas essa ordem quebra acima de uma certa temperatura, deixando as espínulas apontando em direções aleatórias.

Descobrindo orientações variáveis

O time de Dai considerou se esse estado poderia existir em YbMnBi₂, um composto feito de ytterbium, manganesio e bismuto. Sob campo magnético, correntes de eletricidade e calor fluindo através do material são empurradas lateralmente muito mais fortemente do que esperado, mesmo em temperaturas onde a ordem magnética do material desaparece. Até agora, esse comportamento carecia de uma explicação convincente.

Para investigar, os pesquisadores dispararam feixes de nêutrons em cristais de YbMnBi₂ e em um composto relacionado onde ytterbium foi substituído por cálcio.

Como os nêutrons carregam suas próprias espínulas, o time podia controlar sua orientação, então medir como eles se espalhavam das espínulas dentro de cada cristal. Isso permitiu-lhes comparar como as espínulas oscilavam ao longo de diferentes direções enquanto variavam a temperatura e a intensidade do campo magnético aplicado.

Enquanto esfriavam o composto de ytterbium de 450 K (cerca de 177°C), o time encontrou que, ao redor de 400 K (260°F), as espínulas do manganeso começaram a oscilar mais fortemente em algumas direções - mesmo que o material ainda estivesse muito quente para a ordem magnética se instalar ao redor de 290 K (62°F). O compósito de cálcio mostrou nenhum sinal deste efeito, fornecendo forte evidência para um estado de espínulas nematicas oscilantes.

Relação intrínseca

Com base no resultado, o time de Dai agora propõe que o estado surge porque os átomos pesados de ytterbium ligam a movimentação dos elétrons de perto de suas espínulas. Sob campo magnético, as próprias espínulas dos átomos de ytterbium podem então interagir com esse estado, criando uma disposição de espínulas torcida que desvia elétrons enquanto eles se movem.

Beyond solucionar o mistério do comportamento incomum de YbMnBi₂, os resultados podem guiar esforços para criar efeitos semelhantes em outros materiais. Isso poderia levar a novos avanços em spintrônica: uma tecnologia emergente que carrega informação usando espínulas em vez de carga elétrica. Como o efeito aparece sem ordem magnética e em torno da temperatura ambiente, pode ser especialmente promissor para dispositivos práticos.