Ultrapassar os limites: Detetar o efeito Hall anómalo sem magnetização numa nova classe de materiais
A primeira evidência experimental do efeito Hall anómalo que surge num antiferromagneto colinear com comportamento de líquido não-Fermi
Uma equipa internacional de investigação liderada por Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu e Satoru Nakatsuji da Universidade de Tóquio, juntamente com Collin Broholm da Universidade Johns Hopkins, descobriu o efeito Hall anómalo num antiferromagneto colinear. Mais surpreendentemente, o efeito Hall anómalo emerge de um estado líquido não-Fermi, no qual os electrões não interagem de acordo com os modelos convencionais. A descoberta não só desafia a estrutura dos manuais para interpretar o efeito Hall anómalo, como também alarga o leque de antiferromagnetos úteis para as tecnologias da informação.
A investigação fundamental contribui para a inovação tecnológica ao aprofundar a nossa compreensão da interação entre o antiferromagnetismo, a topologia das bandas e as interações electrónicas fortes.
Ray et al 2025
Os spins são propriedades intrínsecas dos electrões, normalmente descritos como estando "para cima" ou "para baixo". Nos ferromagnetes, os spins alinham-se na mesma direção, magnetizando o material. Esta magnetização pode conduzir a uma tensão perpendicular à corrente eléctrica, mesmo sem um campo magnético externo; trata-se do efeito Hall anómalo. Em contraste, os antiferromagnéticos apresentam spins alinhados em direcções opostas, cancelando efetivamente a magnetização. Assim, o efeito Hall anómalo não deveria surgir nos antiferromagnetos. Mas acontece.
"Já houve relatos anteriores sobre o aparecimento do efeito Hall anómalo numa certa classe de antiferromagnetos colineares", diz Nakatsuji, o investigador principal. "No entanto, os sinais observados eram extremamente fracos. A identificação de um efeito Hall anómalo verdadeiramente livre de magnetização era de grande interesse científico e tecnológico."
Este projeto exigiu a coordenação de vários grupos. Fu e os seus colegas foram responsáveis pela montagem experimental para medir o efeito. Utilizaram uma família de materiais denominada dicalcogeneto de metal de transição (TMD) como blocos de construção bidimensionais (2D). Ao inserir iões magnéticos entre as camadas atómicas, os investigadores puderam controlar os movimentos e as interações dos electrões. A estrutura modificada, agora em 3D, tinha o potencial de exibir novos comportamentos que não seriam possíveis apenas em 2D. Finalmente, os investigadores puderam fazer medições do efeito Hall anómalo numa vasta gama de temperaturas e campos magnéticos. Para além disso, o grupo de Broholm forneceu provas microscópicas que confirmam a estrutura antiferromagnética colinear do material. Os resultados foram depois combinados com a análise teórica e os cálculos efectuados pelo grupo de Ryotaro Arita na UTokyo.
"Um dos principais desafios do nosso projeto de investigação foi a construção de uma narrativa científica coerente a partir das nossas observações", afirma Fu, co-líder do estudo. "Cada passo exigiu uma interpretação cuidadosa, especialmente devido à desordem estrutural habitualmente encontrada nos sistemas de dicalcogenetos de metais de transição (TMD)."
A medição resultante é a primeira prova experimental forte do efeito Hall anómalo observado em antiferromagnetos colineares. Como se pensa que o efeito Hall anómalo anda de mãos dadas com a magnetização, a deteção sugere que está em jogo algo muito para além da compreensão padrão. Os investigadores suspeitam que o fenómeno tem origem na estrutura única das bandas de electrões do material, causando um grande "campo magnético virtual" e aumentando o efeito Hall anómalo na ausência de magnetização. Nakatsuji explica os próximos passos.
"Estamos a procurar a confirmação experimental desta hipótese e a realizar ativamente uma série de estudos de acompanhamento utilizando técnicas complementares, incluindo a espetroscopia Raman, para descobrir os mecanismos subjacentes."
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Publicação original
Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu, Youzhe Chen, Taishi Chen, Takuya Nomoto, Shiro Sakai, Motoharu Kitatani, Motoaki Hirayama, Shusaku Imajo, Takahiro Tomita, Akito Sakai, Daisuke Nishio-Hamane, Gregory T. McCandless, Michi-To Suzuki, Zhijun Xu, Yang Zhao, Tom Fennell, Yoshimitsu Kohama, Julia Y. Chan, Ryotaro Arita, Collin Broholm, Satoru Nakatsuji; "Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2"; Nature Communications, Volume 16, 2025-4-18
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