“A razão pela qual temos magnetismo em nossas vidas cotidianas é a força das interações de troca de elétrons”, disse o coautor do estudo. Ataç İmamoğlufísico também do Instituto de Eletrônica Quântica.
No entanto, como Nagaoka teorizou na década de 1960, as interações de troca podem não ser a única maneira de tornar um material magnético. Nagaoka imaginou uma rede quadrada e bidimensional onde cada local da rede tivesse apenas um elétron. Então ele descobriu o que aconteceria se um desses elétrons fosse removido sob certas condições. À medida que os elétrons restantes da rede interagiam, o buraco onde estava o elétron ausente deslizaria pela rede.
No cenário de Nagaoka, a energia geral da rede estaria no seu nível mais baixo quando os spins dos seus elétrons estivessem todos alinhados. Cada configuração eletrônica teria a mesma aparência – como se os elétrons fossem peças idênticas no mundo mais chato do mundo. quebra-cabeça de azulejos deslizantes. Esses giros paralelos, por sua vez, tornariam o material ferromagnético.
Quando duas grades com uma torção fazem existir um padrão
İmamoğlu e seus colegas suspeitaram que poderiam criar o magnetismo de Nagaoka experimentando folhas de átomos de camada única que poderiam ser empilhadas para formar um intrincado padrão moiré (pronuncia-se mwah-ray). Em materiais em camadas atomicamente finos, os padrões moiré podem alterar radicalmente o modo como os elétrons – e, portanto, os materiais – se comportam. Por exemplo, em 2018 o físico Pablo Jarillo-Herrero e seus colegas demonstrado que pilhas de grafeno de duas camadas ganharam a capacidade de supercondução quando compensaram as duas camadas com uma torção.
Desde então, os materiais moiré surgiram como um novo sistema atraente para estudar o magnetismo, encaixados ao lado de nuvens de átomos super-resfriados e materiais complexos como os cupratos. “Os materiais Moiré nos fornecem um playground para, basicamente, sintetizar e estudar estados de elétrons de muitos corpos”, disse İmamoğlu.
Os pesquisadores começaram sintetizando um material a partir de monocamadas dos semicondutores disseleneto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio, que pertencem a uma classe de materiais que simulações anteriores havia implícito que poderia exibir magnetismo do estilo Nagaoka. Eles então aplicaram campos magnéticos fracos de intensidades variadas ao material moiré enquanto rastreavam quantos spins de elétrons do material estavam alinhados com os campos.
Os pesquisadores então repetiram essas medições enquanto aplicavam diferentes voltagens ao material, o que alterou quantos elétrons havia na rede moiré. Eles encontraram algo estranho. O material era mais propenso a se alinhar com um campo magnético externo – isto é, a se comportar de forma mais ferromagneticamente – apenas quando tinha até 50% mais elétrons do que locais na rede. E quando a rede tinha menos elétrons do que os locais da rede, os pesquisadores não viram sinais de ferromagnetismo. Isso foi o oposto do que eles esperariam ver se o ferromagnetismo padrão de Nagaoka estivesse em ação.
Por mais que o material fosse magnetizante, as interações de troca não pareciam estar impulsionando isso. Mas as versões mais simples da teoria de Nagaoka também não explicavam completamente as suas propriedades magnéticas.
Quando suas coisas ficam magnetizadas e você fica um pouco surpreso
Em última análise, tudo se resumia ao movimento. Os elétrons diminuem sua energia cinética ao se espalharem no espaço, o que pode fazer com que a função de onda que descreve o estado quântico de um elétron se sobreponha aos de seus vizinhos, unindo seus destinos. No material da equipe, uma vez que havia mais elétrons na rede moiré do que locais na rede, a energia do material diminuiu quando os elétrons extras se deslocalizaram como neblina bombeada através de um palco da Broadway. Eles então emparelharam-se fugazmente com elétrons na rede para formar combinações de dois elétrons chamadas doublons.
Esses elétrons extras itinerantes, e os dobrões que eles continuaram formando, não poderiam se deslocalizar e se espalhar dentro da rede, a menos que todos os elétrons nos locais da rede circundante tivessem spins alinhados. À medida que o material perseguia incessantemente o seu estado de energia mais baixa, o resultado final foi que os dobrões tendiam a criar pequenas regiões ferromagnéticas localizadas. Até um certo limite, quanto mais dobrões percorrem uma rede, mais detectavelmente ferromagnético o material se torna.
