Pesquisadores da Universidade de Princeton e da Universidade Estadual da Pensilvânia recentemente usaram férmions compostos para testar uma teoria introduzida pelo físico Felix Bloch quase um século atrás, sugerindo que em densidades muito baixas, um "mar" de elétrons de Fermi paramagnético deveria transitar espontaneamente para um estado totalmente magnetizado, que agora é conhecido como ferromagnetismo de Bloch. Seu artigo, publicado na Nature Physics , fornece evidências de uma transição abrupta para a magnetização total que está intimamente alinhada com o estado teorizado por Bloch.
"Os férmions compostos são verdadeiramente notáveis", disse Mansour Shayegan, professor de Engenharia Elétrica da Universidade de Princeton e um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Eles nascem da interação e do fluxo magnético e, no entanto, mapeiam um sistema tão complexo para uma coleção simples de quase-partículas que, em grande parte, se comportam como não interagentes e também como se não sentissem o grande campo magnético . Uma de suas propriedades mais interessantes é a polarização do spin".
Quando fortes campos magnéticos são aplicados a eles e a energia Zeeman é predominante, os férmions compostos são conhecidos por se tornarem totalmente polarizados por spin (ou seja, totalmente magnetizados). Em campos magnéticos mais baixos, por outro lado, eles são tipicamente apenas parcialmente magnetizados, pois a energia de Coulomb desempenha um papel consideravelmente maior.
Fascinado por esta característica única dos férmions compostos, Shayegan e seus colegas começaram a sondar e investigar mais a fundo. Para fazer isso, eles usaram uma técnica para medir diretamente a polarização do spin que se baseia no transporte balístico (sem colisão) de férmions compostos em distâncias relativamente longas, da ordem de 0,2 mícron.
"Vimos que, conforme diminuímos a densidade dos férmions compostos (e, portanto, o campo magnético no qual eles são formados), eles realmente perderam sua polarização de spin total, como esperado", disse Shayegan. "Mas então veio uma surpresa completamente inesperada: à medida que reduzíamos a densidade ainda mais, de repente, os férmions compostos tornaram-se totalmente polarizados de spin novamente. Tínhamos um palpite de que isso pode ser resultado da fraca interação 'residual' entre os férmions compostos, mas não fomos capazes de provar".
Se o fenômeno observado por Shayegan e sua equipe resultasse, de fato, das fracas interações residuais entre diferentes férmions compostos, esse fenômeno seria altamente reminiscente do ferromagnetismo de Bloch, o estado previsto por Bloch em 1929. Notavelmente, esse efeito tem até agora provou ser muito difícil de demonstrar experimentalmente.
"Uma chave para o sucesso de nossos experimentos foi a disponibilidade de estruturas semicondutoras de arseneto de gálio / arseneto de alumínio-arseneto de gálio dopadas com modulação de qualidade extremamente alta", disse Shayegan. "Estes foram cultivados, usando epitaxia de feixe molecular por nosso colega de Princeton Loren Pfeiffer e seu grupo".
Para obter uma maior compreensão sobre se o fenômeno que observaram era realmente comparável ao ferromagnetismo de Bloch, Shayegan e sua equipe contataram Jainendra Jain, um físico teórico da Universidade Estadual da Pensilvânia. Jain e seus alunos, Tongzhou Zhao e Songyang Pu, fizeram uma série de cálculos com o objetivo de verificar a validade da hipótese dos pesquisadores.
"Quando meus colegas de Princeton me contaram sobre o resultado experimental, foi uma surpresa total", disse Jain. "O modelo de férmions compostos livres funciona tão bem para seu mar de Fermi no nível de Landau meio-preenchido, que eu não esperava física do tipo Bloch aqui; tal comportamento certamente não foi previsto por nenhuma teoria existente. Este é um problema muito complexo para abordar teoricamente, porque se relaciona a mudanças muito pequenas na energia em função da densidade. "
Para obter uma compreensão teórica do fenômeno observado por Shayegan e sua equipe, Jain e seus alunos usaram uma ferramenta conhecida como método de 'difusão de fase fixa Monte Carlo'. Quando eles aplicaram esta construção teórica ao problema em questão, eles descobriram que o estado ferromagnético era predominante abaixo de uma densidade crítica.
Além disso, Jain e seus alunos descobriram que o valor da densidade crítica derivado de seus cálculos era próximo ao valor observado por seus colegas de Princeton. Seus resultados, portanto, suportam a hipótese de que o estado observado se assemelha ao ferromagnetismo de Bloch.
"A física subjacente revelou ser semelhante à dos elétrons em campo magnético zero", explicou Jain. "A energia de interação dos férmions compostos prefere o estado ferromagnético, enquanto sua energia cinética, o estado paramagnético. À medida que a densidade diminui, em algum ponto a energia de interação ganha, causando uma transição para uma fase totalmente ferromagnética."
Sistemas simples com elétrons interagindo são muito comuns e férmions interagentes são encontrados em todos os metais, portanto, esses sistemas têm sido frequentemente o foco de estudos de física. Embora tenham sido amplamente investigados, o ferromagnetismo de Bloch nesses sistemas ainda não foi claramente observado.
Essa equipe de pesquisadores foi uma das primeiras a observar um efeito que lembra o ferromagnetismo de Bloch. Além disso, eles observaram esse efeito em um conjunto incomum de quase-partículas (ou seja, um mar de fermions compostos de Fermi), o que foi surpreendente e inesperado.
"A teoria dos férmions compostos está bem estabelecida", disse Md Shafayat Hossain, o principal autor do estudo, ao Phys.org. "A maioria da fenomenologia em teoria e experimentos envolvendo os férmions compostos pode ser entendida sem qualquer interação entre os férmions compostos. Portanto, esta é talvez a última plataforma onde se espera encontrar assinaturas de interações fortes. Surpreendentemente, no entanto, nossos experimentos revelam que o composto férmions sofrem ferromagnetismo de Bloch, que é uma manifestação prototípica de forte interação de interfermions. "
O trabalho recente de Shayegan, Jain, Hossain e seus colegas produziu uma série de resultados interessantes, que têm implicações importantes tanto para o estudo do ferromagnetismo de Bloch quanto dos férmions compostos. Por um lado, demonstra a existência de uma transição para o ferromagnetismo induzida por interação que está alinhada com o fenômeno previsto por Bloch em 1929.
Por outro lado, o artigo recente melhora o entendimento atual dos férmions compostos, pois mostra que em densidades muito baixas essas quase-partículas podem ter fortes interações entre si. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam continuar pesquisando o ferromagnetismo de Bloch em férmions, especificamente em condições caracterizadas por campo magnético zero.
"Quando um sistema de elétrons é diluído o suficiente para que a energia de Coulomb domine a energia cinética (Fermi), os elétrons devem alinhar seus spins e ficar totalmente magnetizados", disse Shayegan. "Este é o problema original que Bloch, e mais tarde Edmund Stoner (em 1947), e outros discutiram; um problema clássico de livro que escapou aos experimentos. O desafio experimental é tornar o sistema de elétrons muito diluído e, ainda assim, manter a desordem potencial (que compete com a interação de Coulomb e quer isolar elétrons em locais aleatórios) a um nível mínimo. Achamos que, com os novos sistemas de elétrons dopados por modulação, há uma chance de finalmente definir a transição de Bloch para elétrons de campo zero".
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