Piezomagnetism in a model cubic noncollinear altermagnet

O magnetismo é frequentemente pensado como um simples cabo de guerra entre polos norte e sul, mas o mundo microscópico dos materiais magnéticos é muito mais intrincado. Durante décadas, os cientistas souberam da existência de dois tipos principais de magnetos ordenados: ferromagnetos, onde todos os pequenos ímanes atómicos apontam na mesma direção para criar uma atração forte e visível, e antiferromagnetos, onde os ímanes vizinhos apontam em direções opostas, cancelando-se mutuamente para que o material não apresente magnetismo líquido. Recentemente, surgiu uma terceira classe, mais exótica, conhecida como altermagnetos. Estes materiais são únicos porque combinam o melhor de ambos os mundos: tal como os antiferromagnetos, os seus momentos magnéticos internos cancelam-se para que não atraiam um íman de frigorífico, mas, tal como os ferromagnetos, os seus eletrões dividem-se em grupos distintos com base no seu spin, uma propriedade que poderia revolucionar a forma como armazenamos e processamos informação. Uma forma fundamental de identificar estes elusivos altermagnetos é através de um fenómeno chamado piezomagnetismo. Em termos simples, este é um elo direto entre espremer um material e criar um campo magnético. Se espremer um antiferromagneto normal, nada de magnético acontece. Mas se espremer um altermagneto, o equilíbrio interno desloca-se o suficiente para gerar um momento magnético mensurável. Este efeito atua como uma impressão digital definitiva, distinguindo estes novos materiais dos comuns antiferromagnetos.

Uma equipa de investigadores identificou agora um material específico que serve como um exemplo perfeito deste comportamento. Eles concentraram-se no tellureto de manganês, um composto feito de átomos de manganês e telúrio arranjados numa estrutura cristalina cúbica. Dentro deste cristal, os momentos magnéticos dos átomos de manganês não se alinham numa linha simples ou num plano plano; em vez disso, apontam em diferentes direções num padrão tridimensional complexo que se cancela perfeitamente quando o material está relaxado. Apesar deste cancelamento perfeito, os investigadores descobriram que, quando aplicaram um aperto físico ao cristal, surgiu um campo magnético forte. Esta descoberta confirma que o tellureto de manganês é um altermagneto e demonstra que as suas propriedades magnéticas estão profundamente ligadas à sua forma física. A equipa não se limitou a observar este efeito uma única vez; mediram-no a partir de dois ângulos completamente diferentes e confirmaram os resultados com simulações computacionais, criando um quadro completo de como o material se comporta.

Para compreender exatamente o que estava a acontecer, os investigadores utilizaram dois métodos experimentais distintos. Primeiro, utilizaram uma técnica chamada dilatometria, que é essencialmente uma régua altamente sensível para medir pequenas alterações no tamanho de um material. Colocaram um pequeno cristal de tellureto de manganês dentro de um dispositivo e aplicaram um campo magnético. Em vez de apenas esticar ou encolher na direção do campo, o cristal torceu ligeiramente, alterando a sua forma de uma maneira que é chamada de deformação de cisalhamento (shear strain). Esta torção era diretamente proporcional à força do campo magnético, um sinal claro do efeito piezomagnético inverso. Os investigadores mediram esta deformação a várias temperaturas e descobriram que o efeito era mais forte quando o material estava frio e a ordem magnética estava totalmente estabelecida. À medida que a temperatura subia em direção a um ponto crítico de 87 Kelvin, o efeito desaparecia, acompanhando o comportamento da própria ordem magnética. Esta relação linear entre o campo magnético e a torção física forneceu a primeira evidência de que o material estava a comportar-se exatamente como a teoria previa para um altermagneto.

Para confirmar estas descobertas e excluir a possibilidade de os resultados terem sido causados pelo deslocamento de domínios magnéticos de grande escala, a equipa recorreu a um segundo método, mais local: a ressonância magnética nuclear. Esta técnica atua como uma sonda microscópica que "ouve" o ambiente magnético de átomos individuais dentro do material, especificamente os átomos de telúrio, sem ser confundida pelo arranjo geral das regiões magnéticas. Quando os investigadores aplicaram um aperto físico ao cristal ao longo de uma direção específica, o sinal de ressonância dos átomos de telúrio dividiu-se em duas frequências distintas. Esta divisão indicou que a pressão física induziu um momento magnético líquido dentro do material, criando um minúsculo campo ferromagnético onde antes não existia. Como este método observa os átomos diretamente, é imune à confusão causada pelos domínios magnéticos, proporcionando uma confirmação microscópica limpa do efeito piezomagnético. A força do momento magnético que calcularam a partir desta divisão coincidiu com as previsões derivadas do primeiro experimento, reforçando a conclusão de que o material estava, de facto, a gerar magnetismo através da deformação física.

Os investigadores também utilizaram simulações computacionais poderosas baseadas nas leis da mecânica quântica para modelar o comportamento do material a partir do zero. Estas simulações mostraram que os eletrões no cristal de tellureto de manganês estão, de facto, divididos em diferentes grupos de energia, uma característica distintiva do altermagnetismo. Quando a equipa simulou o efeito de espremer o cristal, os cálculos previram um grande momento magnético a surgir, impulsionado pela inclinação dos spins atómicos. Notavelmente, as simulações mostraram que este efeito não dependia das forças relativísticas pesadas que normalmente complicam as interações magnéticas; em vez disso, surgiu da geometria simples do cristal e da forma como os spins estavam arranjados. Os números gerados pelo computador coincidiram muito de perto com os dados experimentais, com apenas pequenas diferenças que poderiam ser atribuídas às flutuações naturais dos átomos a diferentes temperaturas. Este acordo entre as medições físicas e os modelos teóricos deu aos investigadores uma elevada confiança de que tinham identificado corretamente o mecanismo em funcionamento.

A significância deste trabalho estende-se para além da identificação de um novo material magnético. O tellureto de manganês é um composto relativamente simples, mas exibe uma resposta piezomagnética muito maior do que a observada noutros materiais candidatos. Isto sugere que a combinação de um alinhamento de spins complexo e não retilíneo com uma estrutura cristalina específica pode criar uma ligação poderosa entre o stress mecânico e o magnetismo. Os investigadores descobriram que o material responde à deformação de uma forma que é consistente com as regras de simetria, o que significa que o efeito é uma propriedade fundamental do próprio cristal. Esta descoberta abre as portas a novas formas de controlar estados magnéticos usando força mecânica, o que poderá ser útil para o desenvolvimento de novos tipos de sensores ou dispositivos de memória. Ao demonstrar que um composto binário simples pode atuar como um modelo robusto para esta classe exótica de magnetos, o estudo fornece um caminho claro para investigações futuras sobre como a deformação pode ser usada para manipular propriedades eletrónicas e magnéticas em tecnologias avançadas. O trabalho confirma que o altermagnetismo não é apenas uma curiosidade teórica, mas um fenómeno real, mensurável e com consequências físicas tangíveis.