Coexisting Kondo and Weyl-like transport in kagome heavy-fermion metal, Yb$_y$Co$_3$G$e_{3-x}$Sn$_x$

No mundo dos materiais sólidos, os elétrons geralmente se comportam como uma multidão de pessoas movendo-se por uma rua movimentada. Às vezes, eles se movem livremente e rapidamente, como uma brisa leve. Outras vezes, eles ficam presos ou retardados pelas interações com seus vizinhos, tornando-se pesados e lentos. Os cientistas sabem há muito tempo como criar materiais onde os elétrons agem como partículas pesadas, um fenômeno impulsionado por forças internas fortes que efetivamente os tornam pesados. Eles também descobriram materiais onde os elétrons se comportam como se não tivessem massa nenhuma, passando pela estrutura cristalina com a velocidade e a leveza de partículas em um vácuo. Esses dois comportamentos — ser pesado e ser sem massa — geralmente pertencem a famílias diferentes de materiais. O desafio para os físicos tem sido encontrar uma única substância onde ambos os comportamentos existam ao mesmo tempo, permitindo que estudem como essas forças opostas interagem dentro de um único objeto sólido.

Uma equipe de pesquisadores encontrou agora tal material. Ao cultivar cristais de um composto específico contendo ítiobio, cobalto, germânio e estanho, eles descobriram um metal onde os elétrons podem ser simultaneamente pesados e sem massa. O material, uma variação de um metal kagome, atua como um laboratório único onde dois tipos distintos de tráfego eletrônico fluem lado a lado sem se fundirem em um fluxo único e indistinguível. Os pesquisadores descobriram que, enquanto alguns elétrons se tornam pesados devido a interações magnéticas, outros permanecem leves e sem massa, respondendo a campos magnéticos de uma forma que sugere que estão seguindo um conjunto diferente de regras físicas. Esta descoberta oferece uma nova maneira de controlar como a eletricidade se move através de um material, potencialmente permitindo que os cientistas alternem entre comportamentos pesados e leves sem a necessidade de alterar a composição química do material ou aplicar ajustes externos.

A história começa com o próprio cristal. Os pesquisadores cultivaram agulhas hexagonais finas de um material chamado Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$. Dentro dessas agulhas, os átomos de cobalto formam um padrão geométrico específico conhecido como rede kagome, nomeada após um tradicional padrão de cesto tecido japonês. Esse arranjo é famoso por criar estados eletrônicos incomuns. Intercalados nesta rede de cobalto estão átomos de ítiobio, um elemento de terras raras. A quantidade de ítiobio no cristal foi cuidadosamente ajustada, com as melhores amostras contendo entre 19 e 48 por cento dos espaços disponíveis preenchidos. Os pesquisadores cultivaram esses cristais usando um banho de estanho fundido, um método que permitiu controlar a desordem e o arranjo específico dos átomos com alta precisão.

Quando resfriaram esses cristais para temperaturas muito baixas, os elétrons começaram a mostrar sinais de se tornarem pesados. À medida que a temperatura caía abaixo de cerca de 25 Kelvin, a resistência elétrica do material começou a subir, um sinal clássico de que os elétrons estavam interagindo fortemente com os momentos magnéticos dos átomos de ítiobio. Isso é conhecido como efeito Kondo, onde os elétrons efetivamente arrastam uma nuvem pesada de influência magnética consigo enquanto se movem. À medida que a temperatura caía ainda mais, a resistência atingia um pico e então começava a cair bruscamente. Essa queda sinalizou que os elétrons pesados haviam se organizado em um estado coerente, movendo-se em uníssono através de toda a rede cristalina. Os pesquisadores mediram a capacidade térmica do material e descobriram que os elétrons eram, de fato, extremamente pesados, com um aumento de massa que colocou este material firmemente na categoria de metais de férmions pesados.

No entanto, a história não terminou com elétrons pesados. Quando os pesquisadores aplicaram um campo magnético forte ao longo do comprimento da agulha de cristal, paralelo ao fluxo de eletricidade, algo inesperado aconteceu. Em um metal de férmions pesados típico, a resistência elétrica eventualmente pararia de mudar conforme o campo magnético se tornasse mais forte, atingindo um ponto de saturação. Mas neste material, a resistência continuou caindo, tornando-se mais negativa à medida que o campo magnético aumentava, até um massivo 32 Tesla. Esse comportamento não se encaixava no modelo padrão para elétrons pesados. Em vez disso, correspondia a uma assinatura associada a partículas sem massa chamadas férmions de Weyl. Nesses sistemas, quando um campo elétrico e um campo magnético estão alinhados, um efeito quântico conhecido como anomalia quiral permite que os elétrons fluam com menos resistência, criando uma magnetorresistência negativa que cresce com o quadrado da força do campo magnético.

Para entender como ambos os comportamentos poderiam existir no mesmo cristal, os pesquisadores examinaram a estrutura eletrônica usando uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução angular. Este método permitiu mapear os níveis de energia dos elétrons dentro do material. Eles encontraram dois tipos distintos de bandas eletrônicas. Um conjunto de bandas era plano, o que significa que os elétrons nesses estados não se moviam facilmente e eram responsáveis pelo comportamento de férmion pesado. O outro conjunto de bandas era dispersivo, o que significa que os elétrons podiam se mover livremente e rapidamente, comportando-se como as partículas sem massa associadas a materiais topológicos. Cálculos teóricos confirmaram que as bandas planas vinham dos átomos de ítiobio, enquanto as bandas dispersivas originavam-se da rede kagome de cobalto.

A descoberta fundamental é que esses dois grupos de elétrons, embora vivam no mesmo cristal, mantiveram-se amplamente em suas próprias faixas. Os elétrons pesados, impulsionados pelos átomos de ítiobio, seguiram as regras do efeito Kondo, escalando seu comportamento de uma forma que correspondia a um íon magnético único. Enquanto isso, os elétrons sem massa, fluindo através da rede de cobalto, responderam ao campo magnético com a anomalia quiral. Os pesquisadores testaram se os elétrons pesados poderiam ser a fonte do comportamento sem massa, mas os dados descartaram isso. Os elétrons pesados saturaram sua resposta em campos mais baixos, enquanto o sinal sem massa continuou a crescer. Eles também descartaram outras explicações comuns, como desordem no cristal ou efeitos simples de espalhamento, que não poderiam explicar a forma específica como a resistência mudou com o campo magnético.

Essa separação de comportamentos sugere uma nova imagem de como correlações fortes e topologia podem coexistir. Em algumas teorias anteriores, pensava-se que o efeito de férmion pesado criava os estados sem massa, ou os suprimia inteiramente em baixas temperaturas. Aqui, os dois efeitos parecem ser independentes, surgindo de diferentes partes da estrutura eletrônica. Os átomos de ítiobio fornecem os elétrons pesados e correlacionados, enquanto a rede de cobalto fornece os elétrons topológicos e sem massa. Como esses dois tipos de elétrons são distintos, eles podem ser observados e medidos separadamente dentro do mesmo material volumétrico. Isso significa que os cientistas não precisam ajustar a composição química do material ou alterar seu nível de Fermi para acessar um comportamento ou outro; ambos estão naturalmente presentes e ativos.

As implicações desta descoberta estendem-se para além de apenas compreender um único material. Ela demonstra que é possível projetar um sólido onde diferentes estados eletrônicos retêm suas identidades únicas mesmo na presença de fortes interações. Isso abre as portas para acessar seletivamente respostas correlacionadas e topológicas dentro de um único dispositivo. Ao compreender como esses estados distintos coexistem, os pesquisadores poderão, eventualmente, projetar materiais onde possam alternar entre modos de condução pesados e leves, ou usar um tipo de elétron para controlar o outro. O trabalho confirma que a rede kagome é um terreno fértil para tal física, oferecendo uma plataforma onde a dança complexa dos elétrons pode ser desvendada em suas partes constituintes, revelando um mundo onde os elétrons podem ser pesados e leves ao mesmo tempo.