Controle magnético das vibrações de um cristal abre novos horizontes de aplicação

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/12/2023

Representação artística da propagação dos fônons quirais.
[Imagem: Felix Hernandez/Bing Image Creator]

Fônons controlados magneticamente

No ano passado, uma equipe do Brasil e dos EUA demonstrou como manipular magneticamente os fônons, as partículas de calor e som.

Um fônon é uma quasipartícula que designa a menor unidade - um quantum - de vibração dos átomos em um cristal. Assim, embora seja classicamente uma onda elástica, como o que está envolvido são vibrações passando de átomo para átomos, é preciso lançar mão da mecânica quântica para explicá-lo: Um quantum de energia viajando pela rede cristalina do material.

Ao manipular essas quasipartículas usando magnetismo, os pesquisadores perceberam que os fônons pararam de vibrar de forma linear e se tornaram quirais, movendo-se em movimentos circulares ou helicoidais - nessa dinâmica, os fônons podem realizar movimentos circulares em um plano ou se propagar pelo material formando hélices.

"Os fônons quirais interagem entre si de maneira diferente dos fônons que se movem linearmente," explicou o professor Andrey Baydin, da Universidade Rice, nos EUA. "Se entendermos as propriedades dessas interações, poderemos utilizá-las. Diferentes propriedades poderiam realizar diferentes aplicações potenciais em materiais."

De fato, manipular fônons oferece um amplo leque de aplicações tecnológicas, da retirada do calor de chips e motores e da exploração de dispositivos termoelétricos até a modificação das propriedades de um material e a indução da supercondutividade.

Naquele experimento, a equipe usou um material semicondutor chamado telureto de chumbo (PbTe), um dos mais utilizados para aplicações termoelétricas, como aproveitar o calor do motor dos carros para gerar eletricidade. Infelizmente, o momento magnético foi muito menor do que o esperado com base nas teorias.

Agora, em uma nova tentativa, liderada pelo professor Felix Hernandez, da USP (Universidade de São Paulo), a equipe encontrou um material no qual o efeito é muito mais forte e, importante, mais interessante do ponto de vista das aplicações tecnológicas.

Configuração e funções do RAMBO, um instrumento único que permite aos pesquisadores usar espectroscopia de laser pulsado para examinar o comportamento de materiais que são simultaneamente resfriados perto do zero absoluto e submetidos a um pulso massivo de energia magnética.
[Imagem: Junichiro Kono Laboratory]

Material topológico

Para tentar tornar seu material mais interessante, a equipe adicionou estanho a ele, criando um telureto de chumbo-estanho [Pb(1-x)Sn(x)Te].

"Se você adicionar [estanho] suficiente, acontece algo chamado inversão de banda, criando estados de superfície topologicamente protegidos. Esses materiais são fascinantes, porque são isolantes no interior, mas possuem estados de superfície eletrônicos condutores - uma característica muito promissora que pode ser explorada em novos dispositivos eletrônicos."

Os experimentos revelaram que o momento magnético dos fônons quirais tornou-se duas ordens de grandeza maior no material topológico do que no material original. Isso pode ajudar os cientistas a pesquisar e projetar materiais com momentos magnéticos de fônons maiores, conforme necessário para diferentes aplicações de dispositivos.

"Esta observação fornece novos insights sobre como controlar e manipular as propriedades dos fônons para alterar a condutividade térmica," disse Fuyang Tay, membro da equipe. "Além disso, a interação entre os fônons quirais e a topologia da estrutura eletrônica levanta a possibilidade de que a fase topológica possa ser influenciada pelo controle dos fônons."

"Como os fônons determinam as propriedades elétricas, térmicas e ópticas dos materiais, a descoberta desse controle topológico abre um amplo leque de oportunidades para aplicações tecnológicas inovadoras," completou o professor Hernandez.

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