Um novo tipo de magnetismo foi observado em elétrons percorrendo uma grade de ‘buracos’. Mais de meio século atrás, o físico japonês Yosuke Nagaoka teorizou uma maneira pela qual um campo magnético poderia se expandir a partir de elétrons errantes que procuravam incessantemente um lugar para descansar, de uma forma radicalmente diferente dos modelos convencionais de ferromagnetismo.
Um fenómeno recentemente observado em uma pilha de semicondutores alternados poderia ser explicado pelas especulações de Nagaoka, enquanto apresentava algumas surpresas inesperadas.
Em um experimento liderado por pesquisadores da ETH Zurich, finas grades atómicas de dois materiais sintéticos diferentes foram sobrepostas como páginas no livro mais fino do mundo, criando um efeito repetitivo conhecido como padrão moiré.
“Tais materiais moiré têm atraído grande interesse nos últimos anos, pois podem ser usados para investigar muito bem os efeitos quânticos de elétrons fortemente interativos”, explica o autor sénior do estudo, o físico Ataç Imamoğlu. “No entanto, até agora, sabia-se muito pouco sobre suas propriedades magnéticas.”
O magnetismo é o esforço conjunto de inúmeros elétrons se organizando sob um contrato quântico ditado por uma propriedade chamada spin.
Ao contrário da rotação de uma bola, o spin de um elétron é uma característica binária. Nunca é rápido ou lento, apenas para cima ou para baixo. Ou, se imaginarmos como ímãs minúsculos, norte ou sul.
Organize esses ímãs minúsculos de modo que seus spins se alinhem; seu comportamento colectivo permitirá que algo como um pedaço comum de ferro prenda o desenho sorridente de uma narcisa na porta da geladeira.
Essa concordância sobre a direção do alinhamento vem de uma interação entre elétrons sentados calmamente em seus assentos de última fila nos átomos. A lei quântica dita que elétrons com o mesmo spin realmente deveriam ficar longe um do outro, o que, sob as circunstâncias certas, cria um padrão que amplifica seu magnetismo.
Na década de 1960, Nagaoka percebeu que um tipo semelhante de arranjo poderia se formar por meio de um acordo completamente diferente, determinado não por trocas baseadas nos spins dos elétrons, mas por sua vontade de passear.
Ele imaginou uma grade, semelhante a uma paisagem urbana povoada por elétrons sentados em esquinas como artistas de rua ávidos. Deixe apenas uma esquina vaga, ele percebeu, e os elétrons se moveriam, ansiosos para encontrar um espaço o mais longe possível dos outros artistas quânticos. Cada salto deixaria uma nova vaga, fazendo com que um ‘buraco’ saltasse de rua em rua.
Guiados por esse efeito cinético de esquinas vazias, o mesmo efeito em grande escala dos spins poderia surgir, gerando um campo magnético mais exagerado.
É um efeito que desde então foi observado entre um punhado de elétrons. No entanto, até agora, ninguém havia observado o magnetismo cinético de Nagaoka surgindo em um material em massa.
“Até agora, tais mecanismos para magnetismo cinético só foram detectados em sistemas modelo, por exemplo, em quatro pontos quânticos acoplados, mas nunca em sistemas estendidos de estado sólido como o que usamos”, diz Imamoğlu.
Esse sistema era composto por seis camadas de dois semicondutores diferentes: disseleneto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio. Semelhante às grades de Nagaoka, cada uma podia ser empilhada sobre a outra de maneira a criar ‘esquinas’ a partir do efeito moiré dos espaços entre as camadas.
Uma vez que as finas camadas foram resfriadas para eliminar o máximo de agitação térmica possível, uma voltagem foi aplicada para enviar um gotejamento de elétrons.
Certamente, cada artista de rua encontrou uma esquina para extrair seu spin especial. No entanto, ao contrário do que Nagaoka imaginava, o magnetismo só aparecia quando havia um excedente significativo de elétrons.
Em vez de serem atraídos para uma harmonia magnética pela promessa de espaços vazios, foi a competição por um lugar harmonioso para tocar que gerou duplas de curta duração conhecidas como doublons.
Um número suficiente dessas parcerias piscando causou o material a se tornar magnético de uma maneira que os físicos nunca tinham visto antes.
Embora o processo seja improvável de levar a alguma nova tecnologia (ou maneiras de prender desenhos de narcisos às geladeiras) em breve, ele fornece aos pesquisadores insights sobre comportamentos que poderiam informar a eletrônica do futuro.
Esta pesquisa foi publicada na Nature.
