Pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH), localizado em Zurique, fizeram uma descoberta marcante ao identificar uma variante inédita de ferromagnetismo, que se diferencia dos ímãs comuns, como aqueles encontrados em lembranças na porta da geladeira.

Para que um ímã adira à porta da geladeira, diversos fenômenos físicos devem interagir harmoniosamente. Os momentos magnéticos dos elétrons devem todos se alinhar na mesma direção, mesmo sem a influência de um campo magnético externo. Esse fenômeno, conhecido como interação de troca, resulta da interação complexa entre a repulsão eletrostática entre os elétrons e os efeitos mecânicos quânticos dos spins dos elétrons, que por sua vez determinam os momentos magnéticos.

Essa explicação é comumente associada à natureza ferromagnética de materiais como ferro ou níquel, que permanecem magnéticos permanentemente, desde que não sejam expostos a temperaturas acima de um limiar específico.

Na ETH Zurich, uma equipe liderada por Ataç Imamoğlu e Eugene Demler realizou uma descoberta notável ao identificar um novo tipo de ferromagnetismo em um material artificialmente produzido, onde o alinhamento dos momentos magnéticos ocorre de forma completamente distinta.

A equipe liderada por Imamoğlu desenvolveu um material exclusivo empilhando camadas atomicamente finas de dois semicondutores distintos – disseleneto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio. Ao sobrepor esses materiais, suas constantes de rede – a distância entre os átomos – geram um potencial periódico bidimensional no plano de contato. Esse potencial tem uma constante de rede significativamente maior (trinta vezes maior do que a dos semicondutores individuais), permitindo o preenchimento com elétrons quando uma tensão elétrica é aplicada.

“Esses materiais moiré têm atraído muito interesse nos últimos anos, pois podem ser usados para investigar muito bem os efeitos quânticos de elétrons que interagem fortemente”, explicou Imamoğlu. “No entanto, até agora, muito pouco se sabia sobre suas propriedades magnéticas.”

Para investigar essas características, os cientistas realizaram medições para determinar se o material moiré exibia propriedades paramagnéticas – com seus momentos magnéticos distribuídos aleatoriamente – ou ferromagnéticas, para um dado nível de preenchimento de elétrons. Utilizando luz laser, eles iluminaram o material e mediram a intensidade da reflexão para diferentes polarizações.

A polarização da luz indica a orientação do campo eletromagnético do laser, e com base nisso, juntamente com a orientação dos momentos magnéticos – e consequentemente, dos spins eletrônicos – é possível determinar se o material reflete com maior intensidade uma polarização específica.

Essa diferença permite calcular se os spins estão alinhados na mesma direção ou em direções distintas, o que por sua vez possibilita a determinação da magnetização.

Os físicos incrementaram gradualmente a tensão elétrica para preencher o material com elétrons e observaram a magnetização resultante. Enquanto o preenchimento não atingia um elétron por local na rede moiré (conhecida como isolante de Mott), o material mantinha-se paramagnético. Entretanto, conforme mais elétrons eram adicionados à rede, ocorreu um fenômeno inesperado: o material repentinamente exibiu um comportamento semelhante ao de um ferromagneto.

“Essa foi uma prova impressionante de um novo tipo de magnetismo que não pode ser explicado pela interação de troca”, disse Imamoğlu.

De fato, se a interação de troca fosse a única responsável pelo magnetismo, esse fenômeno também deveria ter sido observado com um número menor de elétrons na rede. Assim, o surgimento súbito indicava a presença de um efeito distinto.

Eugene Demler, em colaboração com o pós-doutorando Ivan Morera, teve uma revelação crucial: eles podem estar observando um mecanismo proposto pelo físico japonês Yosuke Nagaoka em 1966. Nesse mecanismo, os elétrons minimizam sua energia cinética ao alinhar seus spins na mesma direção, uma energia que é significativamente maior do que a energia de troca. No experimento conduzido pelos pesquisadores da ETH, essa condição ocorre quando há mais de um elétron ocupando cada local na rede do material moiré.

Como resultado, pares de elétrons podem se combinar para formar estruturas conhecidas como dobrões. A energia cinética é reduzida quando esses dobrões podem ser distribuídos por toda a rede através de tunelamento quântico mecânico. Contudo, isso só é viável se os elétrons individuais na rede estiverem alinhados de forma ferromagnética, pois, caso contrário, os efeitos de superposição quântica que possibilitam a livre expansão dos dobrões seriam perturbados.

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“Até agora, esses mecanismos de 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 estamos usando”, concluiu Imamoğlu.

O estudo foi publicado na revista científica Nature.

Via: Mystery Planet.