Symmetry-selective nonrelativistic spin splitting in antiferromagnets driven by coherent phonons

No mundo da eletrônica moderna, o controle do fluxo de informação frequentemente depende do magnetismo. Dispositivos tradicionais utilizam materiais como o ferro, onde pequenos ímãs atômicos apontam todos na mesma direção, criando um campo magnético líquido que pode ser facilmente manipulado. No entanto, esse campo magnético também é um problema; ele cria interferência e exige uma energia significativa para alternar estados. Cientistas buscam há muito tempo uma maneira de aproveitar o spin dos elétrons — seu momento angular intrínseco, que atua como uma pequena bússola interna — sem o fardo de um campo magnético líquido. Esta é a promessa dos antiferromagnetos, uma classe de materiais onde os ímãs atômicos vizinhos apontam em direções opostas, cancelando-se perfeitamente. Embora esses materiais sejam invisíveis a campos magnéticos externos e ideais para computação ultrarrápida e de baixa potência, eles têm sido historicamente difíceis de controlar porque sua ordem interna é muito estável e oculta. Um avanço recente envolve encontrar uma maneira de dividir os níveis de energia dos elétrons com spins opostos nesses materiais, um processo conhecido como divisão de spin não relativística, que permite a manipulação do fluxo de elétrons sem a necessidade da pesada maquinaria do magnetismo tradicional.

Uma equipe de pesquisadores demonstrou agora um método para induzir e controlar dinamicamente essa divisão em antiferromagnetos usando ondas sonoras na escala atômica. Em um estudo focado em um cristal em camadas chamado trissulfeto de manganês e fósforo, os cientistas mostraram que, ao fazer o material vibrar com padrões específicos de luz, eles poderiam quebrar temporariamente a simetria que mantém os spins dos elétrons iguais. Esse processo não depende do estado magnético natural do material, mas é impulsionado pela maneira precisa como os átomos são sacudidos. Os pesquisadores descobriram que a direção da luz usada para sacudir os átomos atua como uma chave, selecionando qual tipo de comportamento de spin emerge. Ao direcionar a luz em uma direção, eles criaram um estado onde a diferença de energia entre os elétrons de spin para cima e para baixo está presente em todos os lugares, incluindo no centro do mapa de momento do material. Ao direcionar a luz em uma direção perpendicular, eles criaram um estado diferente onde essa diferença de energia desaparece no centro, mas aparece fortemente em outras direções, um padrão característico de uma classe recém-descoberta de materiais magnéticos chamada altermagnetos.

O estudo baseou-se no fato de que os átomos neste cristal podem vibrar de maneiras específicas e coordenadas quando atingidos pela luz. Os pesquisadores focaram em dois tipos distintos de vibrações que ocorrem em uma frequência de aproximadamente 4,5 terahertz, uma velocidade muito rápida para o ouvido humano ouvir, mas perfeitamente ajustada ao ritmo natural dos átomos do cristal. Essas vibrações são "infravermelho-ativas", o que significa que os átomos se moveem de uma forma que permite absorver a energia da luz diretamente. A equipe utilizou cálculos de primeiros princípios para modelar o que acontece quando essas vibrações são congeladas em seus lugares, criando efetivamente um instantâneo do cristal enquanto ele está distorcido. Eles descobriram que as duas vibrações, embora semelhantes em velocidade, movem os átomos em padrões fundamentalmente diferentes. Uma vibração empurra os átomos de manganês em uma direção que quebra todas as conexões simétricas entre as camadas magnéticas opostas. A outra vibração move os átomos de uma forma que preserva uma simetria específica de espelho entre essas camadas.

Essa diferença de simetria dita o comportamento dos elétrons. Quando a vibração quebra todas as conexões entre as camadas magnéticas opostas, os elétrons com spins opostos se separam em energia por todo o material, criando uma divisão uniforme. Isso é descrito como um estado de onda s (s-wave), onde o efeito é consistente em todas as direções. Em contraste, quando a vibração preserva a simetria de espelho, a divisão de energia comporta-se de forma diferente. Ela é zero no centro exato do mapa de momento, mas aumenta à medida que você se afasta, mudando de sinal ao cruzar certas linhas. Isso cria um padrão de onda d (d-wave), que é a assinatura do estado altermagnético. Os pesquisadores calcularam que, para uma amplitude de vibração de 0,05 angstrom, a diferença de energia entre os spins atinge cerca de 50 a 100 milieletronvolts, um desvio significativo que poderia ser detectado e utilizado em dispositivos eletrônicos. Crucialmente, o tamanho dessa divisão de energia cresce linearmente com a força da vibração, o que significa que o efeito pode ser ajustado simplesmente ajustando a intensidade da luz.

O poder desta abordagem reside em sua seletividade e velocidade. Como as duas vibrações respondem à luz polarizada em direções diferentes, um cientista pode escolher qual estado eletrônico criar simplesmente rotacionando a polarização do feixe de luz incidente. Se a luz estiver polarizada de uma maneira, o estado de onda s uniforme aparece; se for rotacionada noventa graus, o estado de onda d direcional assume o controle. Além disso, como a vibração é impulsionada por um pulso de luz coerente, a direção do deslocamento atômico inverte-se rapidamente para frente e para trás. Isso faz com que a divisão de spin induzida reverta seu sinal em sincronia com a vibração, oscilando na frequência da luz. Isso sugere que é possível alternar entre diferentes estados de spin em velocidades de terahertz, muito mais rápido do que as chaves eletrônicas atuais podem operar. O estudo confirma que esses efeitos são primariamente devidos à distorção mecânica da rede cristalina, em vez de efeitos relativísticos, tornando o fenômeno robusto e previsível.

Essas descobertas estabelecem um novo caminho para controlar o spin em antiferromagnetos sem a necessidade de campos magnéticos estáticos ou mudanças químicas. Ao usar a luz para impulsionar vibrações atômicas específicas, os pesquisadores podem projetar dinamicamente as propriedades eletrônicas de um material, transformando-o em um filtro de spin alternável. A capacidade de selecionar entre um estado de divisão de spin uniforme e um estado altermagnético direcional apenas mudando o ângulo da luz oferece uma ferramenta versátil para futuros dispositivos spintrônicos. O trabalho sugere que a simetria da estrutura interna de um material pode ser temporariamente reescrita por ondas sonoras, abrindo as portas para eletrônicos de baixíssima potência e ultrarrápidos que operam sob princípios anteriormente considerados fixos pelo estado natural do material. Este método fornece uma rota direta para manipular o fluxo de informação na próxima geração de hardware de computação, onde velocidade e eficiência energética são primordiais.