Uniaxial strain tuned magnetism of the altermagnet candidate h-FeS

1. Problema e Contexto Científico

O campo da magnetismo tem sido tradicionalmente dominado pela classificação em ferromagnetos e antiferromagnetos. Recentemente, uma nova classe de materiais, os altermagnetos, foi identificada. Estes materiais apresentam ordem magnética colinear com ambientes cristalinos locais alternados, quebrando a simetria de reversão temporal, mas mantendo a magnetização líquida nula macroscopicamente. Uma característica distintiva dos altermagnetos é a sua capacidade de suportar correntes de spin polarizadas e exibir o Efeito Hall Anômalo Espontâneo (AHE), fenômeno que normalmente requer magnetização líquida em ferromagnetos.

No entanto, a observação experimental do AHE espontâneo em candidatos a altermagnetos é rara. O sulfeto de ferro hexagonal (h-FeS) foi identificado recentemente como um candidato promissor que exibe AHE espontâneo, acompanhado por uma magnetização líquida extremamente pequena (da ordem de $10^{-3} \mu_B$/Fe) devido ao canting (inclinação) dos spins.
O problema central abordado neste trabalho é a falta de compreensão sobre a relação entre essa pequena magnetização ferromagnética e o AHE espontâneo, bem como a dificuldade em controlar (sintonizar) essas propriedades para aplicações em spintrônica. A questão específica é: como parâmetros externos, como a tensão mecânica, afetam a estrutura magnética e o transporte eletrônico nesses materiais?

2. Metodologia

Os autores empregaram uma abordagem experimental multifacetada combinando síntese de cristais, medidas de transporte elétrico, magnetometria e espalhamento de nêutrons:

• Síntese de Amostras: Cristais únicos de h-FeS foram crescidos pelo método de transporte químico em vapor, resultando em uma composição estequiométrica próxima a $Fe_{0.93}S$.
• Aplicação de Tensão Uniaxial: Um dispositivo mecânico caseiro foi utilizado para aplicar tensão compressiva uniaxial no plano ab (direções $[1\bar{1}0]$ e $[110]$) sobre os cristais únicos. A magnitude da tensão foi estimada em aproximadamente 100 MPa.
• Medidas de Transporte Elétrico: Medidas de resistividade Hall foram realizadas em um sistema PPMS para quantificar o AHE espontâneo e o efeito Hall ordinário sob diferentes temperaturas e condições de tensão.
• Medidas de Magnetização: A magnetização isoterma e a susceptibilidade magnética foram medidas para caracterizar a componente ferromagnética e a transição de Morin (transição de configuração de spins do plano para o eixo).
• Difração de Nêutrons: Realizada no Spallation Neutron Source (Oak Ridge) para mapear a estrutura magnética, identificar populações de domínios magnéticos e verificar mudanças na estrutura cristalina sob tensão.
• Espalhamento Inelástico de Nêutrons (INS): Utilizado para medir o espectro de excitações de spin (ondas de spin) e determinar o gap de onda de spin, crucial para entender a facilidade de reorientação dos domínios magnéticos.

3. Principais Contribuições e Resultados

A. Supressão Simultânea do AHE e da Magnetização

Os resultados demonstram que a aplicação de tensão compressiva no plano ab suprime efetivamente tanto o AHE espontâneo quanto a pequena magnetização líquida (componente ferromagnética) no h-FeS.

• Acima da temperatura de transição de Morin ($T_M \approx 156$ K para a amostra estudada), onde os spins estão no plano ab, o AHE espontâneo é observado.
• Ao aplicar a tensão, a magnitude do AHE diminui sistematicamente, enquanto a contribuição do efeito Hall ordinário e convencional permanece inalterada.
• Simultaneamente, a componente ferromagnética (responsável pela histerese de baixa campo e magnetização líquida) é reduzida, indicando que a tensão suprime o canting dos spins ao longo do eixo c.

B. Redistribuição de Domínios Magnéticos (Difração de Nêutrons)

As medidas de difração de nêutrons revelaram um mecanismo crucial:

• A estrutura magnética global (ordem antiferromagnética do tipo A) não muda sob tensão.
• O que muda é a população dos domínios magnéticos no plano. Sem tensão, os três domínios equivalentes (I, II e III) são igualmente populados.
• Com a tensão aplicada, o domínio cujos spins estão alinhados com a direção da tensão é fortemente suprimido, restando apenas dois domínios dominantes.
• A variação de intensidade nos picos de Bragg é consistente com essa redistribuição de domínios, e não com uma mudança na estrutura cristalina ou no canting dos spins (que seria muito pequeno para ser detectado diretamente pela difração não polarizada).

C. Correlação entre AHE e Canting de Spins

O estudo estabelece uma correlação direta entre o AHE espontâneo e a magnetização líquida no h-FeS.

• A supressão simultânea de ambos sob tensão sugere que o AHE em h-FeS está intimamente ligado à presença da pequena magnetização ferromagnética resultante do canting dos spins.
• O comportamento observado assemelha-se ao de um ferromagneto com magnetização muito pequena, mas com um coeficiente Hall anômalo ($R_S$) excepcionalmente grande (da ordem de $100 \mu\Omega\cdot cm \cdot T^{-1}$).

D. Origem Física: Acoplamento Magnetoelástico e Anisotropia

A supressão do canting e do AHE é explicada pela teoria de anisotropia magnetocristalina:

• O canting é impulsionado pelo acoplamento spin-órbita (SOC) e pela anisotropia do campo cristalino.
• A tensão uniaxial quebra a simetria local $C_3$ dos octaedros $FeS_6$, levando a um "apagamento" (quenching) adicional do momento angular orbital.
• Isso enfraquece a eficácia do SOC, reduzindo o ângulo de canting e, consequentemente, a magnetização líquida e o AHE.
• Medidas de INS mostram que o gap de onda de spin é extremamente pequeno (< 0.5 meV) acima de $T_M$, o que explica a facilidade com que a tensão consegue redistribuir os domínios magnéticos.

4. Significado e Impacto

Este trabalho é significativo por várias razões:

1. Validação do h-FeS como Altermagneto: Confirma e detalha as propriedades de transporte e magnéticas do h-FeS, solidificando seu status como candidato a altermagneto.
2. Controle Ativo de Propriedades: Demonstra que a tensão uniaxial é uma "alavanca" eficaz para sintonizar propriedades magnéticas e de transporte em altermagnetos, algo essencial para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos.
3. Mecanismo de Correlação: Resolve a questão sobre a relação entre AHE e magnetização em altermagnetos, mostrando que, no h-FeS, a magnetização residual (devido ao canting) é um indicador chave e possivelmente um fator contribuinte para o AHE, desafiando a visão de que o AHE em altermagnetos é puramente devido a curvatura de Berry sem magnetização líquida.
4. Generalização: Sugere que outros candidatos a altermagnetos com estruturas similares (como $\alpha$-MnTe e CrSb) podem exibir comportamentos semelhantes de sintonização por tensão, abrindo caminho para novas pesquisas em materiais compensados com grandes AHEs.

Em resumo, o estudo fornece uma compreensão profunda de como a deformação mecânica pode manipular a simetria magnética e o transporte eletrônico em materiais complexos, oferecendo um novo paradigma para o controle de estados magnéticos em spintrônica.