Pesquisadores dos EUA descobrem novo estado quântico em um material peculiar

Vchal/istock

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Uma colaboração de físicos que trabalham em diferentes institutos nos EUA descobriu um novo estado quântico em uma liga feita de magnésio, silício e telúrio, disse um comunicado de imprensa. A descoberta pode resultar em aplicações em computação quântica, como construção de sensores e sistemas de comunicação.

A liga é uma estrutura cristalina denominada Mn3Si2Te6 e consiste em células octogonais colocadas em um arranjo semelhante a um favo de mel quando vista de cima. Porém, quando visto de lado, consiste em folhas empilhadas.

Os elétrons podem se mover livremente dentro da estrutura. Porém, devido à aleatoriedade do fluxo, o deslocamento dos elétrons é muito parecido com o dos veículos em um engarrafamento, conferindo ao material as propriedades de um isolante.

Os pesquisadores se interessaram em estudar a liga devido a uma propriedade que haviam notado anteriormente. Chamado de magnetorresistência, o material apresentou melhor condutividade quando colocado na presença de um campo magnético.

Embora esta mudança na natureza não seja observada na maioria dos materiais, já foi observada em alguns antes. No caso desta liga, a magnetorresistência foi apelidada de colossal, pois, na presença do campo magnético, ela deixa de se comportar como um isolante e passa a atuar como um fio condutor.

Os pesquisadores também descobriram que a colossal magnetorresistência só entrou em vigor quando o campo magnético foi aplicado perpendicularmente à superfície em forma de favo de mel. Embora isso não fosse verdade para a magnetorresistência observada em outros materiais, os pesquisadores precisavam de um novo modelo para explicar por que essa liga se comportava dessa maneira.

Bartlomiej Wroblewski/iStock

Os físicos teóricos da Georgia Tech desenvolveram um novo modelo matemático onde descobriram que os fluxos de corrente entre os íons magnéticos de manganês eram proibidos pela simetria. No entanto, os íons de telúrio dispostos de forma octaédrica poderiam transportar as correntes quando o campo magnético fosse aplicado de uma maneira particular.

Curiosamente, os pesquisadores também descobriram que o material poderia alternar entre ser um isolante e um condutor, mesmo quando uma corrente elétrica fosse aplicada. Essa transição, porém, não foi imediata e pode levar de segundos a minutos para acontecer.

A mudança mais lenta é algo que os pesquisadores estão interessados ​​em explorar para desenvolver novas aplicações em dispositivos quânticos controlados atuais, que poderiam ser usados ​​para uma variedade de propósitos, desde computação até detecção, bem como comunicação.

Antes disso, os pesquisadores ainda precisam entender mais sobre esse estado quântico recém-descoberto e, ao mesmo tempo, determinar quais outros materiais apresentam essas propriedades.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature.

Resumo do estudo:

A magnetoresistência colossal (CMR) é um aumento extraordinário da condutividade elétrica na presença de um campo magnético. É convencionalmente associado a uma polarização de spin induzida por campo que reduz drasticamente o espalhamento de spin e a resistência elétrica. O Mn3Si2Te6 ferrimagnético é uma exceção intrigante a esta regra: ele exibe uma redução de sete ordens de grandeza na resistividade do plano ab que ocorre apenas quando uma polarização magnética é evitada . Aqui, relatamos um estado quântico exótico que é impulsionado por correntes orbitais quirais (COC) do plano ab fluindo ao longo das bordas dos octaedros MnTe6. Os momentos orbitais do eixo c do plano ab COC acoplam-se aos giros ferrimagnéticos de Mn para aumentar drasticamente a condutividade do plano ab (CMR) quando um campo magnético externo está alinhado ao longo do eixo c magnético rígido. Conseqüentemente, o CMR acionado por COC é altamente suscetível a pequenas correntes diretas que excedem um limite crítico e pode induzir uma comutação biestável dependente do tempo que imita uma 'transição de fusão' de primeira ordem que é uma marca registrada do estado COC. O controle de corrente demonstrado do CMR habilitado para COC oferece um novo paradigma para tecnologias quânticas.