Nova pesquisa revela como os efeitos quânticos em ferromagnetos de dupla troca impulsionam um comportamento magnético inesperadovocê
Durante quase um século, os físicos tentaram compreender por que e como os materiais se tornam magnéticos. Dos ímanes de frigorífico às memórias magnéticas, as origens microscópicas do magnetismo continuam a ser um puzzle surpreendentemente subtil – especialmente em materiais onde os electrões se comportam tanto como partículas individuais como como um mar colectivo.
Na maioria dos compostos de metais de transição, o magnetismo vem da dança entre elétrons localizados e móveis. Alguns elétrons ficam perto de seus átomos de origem e formam pequenos momentos magnéticos (spins), enquanto outros vagam livremente pelo cristal. A interação entre esses dois tipos de elétrons produz ferromagnetismo de “troca dupla” – o mecanismo que dá origem ao rico comportamento magnético de materiais como a manganita, famosa por sua colossal magnetorresistência (uma mudança dramática na resistência elétrica sob um campo magnético). Tradicionalmente, os cientistas modelaram este comportamento tratando os spins localizados como setas clássicas – grandes e bem definidas, como agulhas de bússola. Esta aproximação funciona bem o suficiente para explicar o ferromagnetismo básico, mas experimentos nas últimas décadas revelaram características estranhas que desafiam o quadro clássico. Em explicit, estudos de espalhamento de nêutrons em manganitas mostraram que as excitações coletivas de spin, chamadas magnons, não se comportam conforme o esperado. O seu espectro de energia “suaviza” (as ondas abrandam) e os seus sinais nítidos confundem-se em contínuos difusos – um sinal de que os magnões estão a perder a sua coerência. Até agora, esses efeitos eram geralmente atribuídos às vibrações da rede atômica (fônons) ou às interações complexas entre carga, rotação e movimento orbital.
Um novo estudo teórico desafia essa suposição. Ao adotar a mecânica quântica completa – tratando cada spin localizado não como uma flecha clássica, mas como um verdadeiro objeto quântico que pode flutuar, emaranhar e se sobrepor – os pesquisadores reproduziram essas observações experimentais intrigantes sem invocar nenhum fônon. Usando dois sistemas de modelos poderosos (uma versão quântica da rede Kondo e um modelo Hubbard de dois orbitais), a equipe simulou como os elétrons e os spins interagem quando nenhuma aproximação semiclássica é permitida. Os resultados revelam uma paisagem quântica sutil. Em vez de um único tipo de excitação de elétrons, o sistema hospeda dois. Um deles se comporta como um férmion sem spin – um portador de carga despojado de sua identidade magnética. O outro forma uma banda ampla e “incoerente” de excitações decorrentes de trigêmeos quânticos locais. Esses estados incoerentes ficam próximos ao nível de Fermi e atuam como um fundo ruidoso – um continuum semelhante ao de Stoner – que os magnons podem espalhar. O resultado: os magnons perdem a coerência e a energia exatamente como os experimentos observam.
Talvez o mais surpreendente seja que esse mecanismo não depende de forma alguma da rede cristalina. É uma consequência intrínseca da natureza quântica dos próprios spins. Spins localizados maiores, como os das manganitas clássicas, tendem a suprimir o efeito – explicando por que a decoerência é mais fraca em alguns materiais do que em outros. Consequentemente, as implicações vão além das manganites. Interação quântica semelhante pode ocorrer em supercondutores à base de ferro, rutenatos e sistemas de férmions pesados, onde o magnetismo e a supercondutividade coexistem. Mesmo em materiais sem momentos locais permanentes, fortes correlações eletrônicas podem gerar o mesmo tipo de magnetismo quântico.
Em suma, este trabalho revela uma rota puramente electrónica para dinâmicas magnéticas complexas – mostrando que a personalidade quântica do electrão por si só pode imitar efeitos que antes se pensava exigirem distorções na rede. Ao unir a estrutura eletrônica e as excitações de spin sob uma descrição única e totalmente quântica, isso nos aproxima um passo da compreensão de como o magnetismo realmente funciona nos materiais mais complexos.
Quer saber mais sobre esse assunto?
Eletrodinâmica em nanoescala de materiais quânticos fortemente correlacionados por Mengkun Liu, Aaron J Sternbach e D. N. Basov (2017)