Novo estudo redefine o efeito Hall anómalo em materiais 2D

Quem não é físico poderá ouvir falar do «efeito Hall» e imaginar que se trata da forma como o tempo parece esticar quando se tenta levar crianças pequenas para fora de casa, ou daquele fenómeno em que as chaves ou o telemóvel ficam sempre esquecidos ao atravessar o corredor.

Na realidade, o efeito Hall descreve a interação entre correntes elétricas e campos magnéticos em determinadas condições. Tem aplicação numa enorme variedade de tecnologias que exigem a deteção de magnetismo, incluindo as capas com aba dos telemóveis.

Embora este efeito seja conhecido desde que o físico Edwin Hall o descobriu em 1879, investigadores liderados por uma equipa da Carnegie Mellon University, nos EUA, concluíram agora que não tem necessariamente de funcionar da forma que os cientistas sempre assumiram.

Uma variante magnética do fenómeno, denominada efeito Hall anómalo, também pode ser gerada pela magnetização do próprio material.

Efeito Hall anómalo em materiais bidimensionais

Um novo estudo, publicado na Nature Materials, demonstra que essa magnetização não tem obrigatoriamente de estar orientada numa única direção. Segundo a equipa de investigação, o fenómeno é mais versátil.

«Durante muito tempo, pensou-se que o efeito Hall só funcionava quando o campo magnético era aplicado perpendicularmente ao plano da película», afirma o físico Simranjeet Singh, da Carnegie Mellon University.

«Mostrámos que isso não é verdade: também é possível obter uma resposta quando o campo está no plano.»

Esta alteração de perspetiva já tinha sido prevista em teoria, mas nunca tinha sido demonstrada num sistema 2D como o que os investigadores construíram neste trabalho.

As teorias serviram de base à criação de uma estrutura atómica personalizada: uma camada ultrafina de telureto de tântalo e irídio (TaIrTe4), combinada com uma camada magnética de CGT (Cr2Ge2Te6).

Esta combinação estrutural bastou para fazer o magnetismo «passar» para a camada não magnética. Ao mesmo tempo, reduziu parte da simetria intrínseca do material, que de outro modo limitaria as formas pelas quais o efeito Hall poderia ser produzido.

«A proposta já existia e as ideias estavam disponíveis, mas é muito difícil criar um material magnético com a simetria adequada para o conseguir», explica Singh.

«O que fizemos foi encontrar um material com a simetria certa e torná-lo magnético.»

Sensores magnéticos e propriedades quânticas ajustáveis

A descoberta representa um avanço relevante na compreensão de um efeito fundamental da física. Em termos práticos, o principal benefício poderá surgir nos sensores magnéticos, permitindo que um único sensor substitua configurações mais complexas.

Dito de outra forma, um só dispositivo ultrafino poderá vir a detetar campos magnéticos ao longo de vários eixos, em vez de apenas um.

«Isto demonstra verdadeiramente o poder de construir heteroestruturas atomicamente precisas de materiais quânticos bidimensionais emergentes para obter propriedades eletrónicas e magnéticas ajustadas conforme necessário», afirma a física Jyoti Katoch, da Carnegie Mellon University.

Além das experiências laboratoriais, foram realizados modelos teóricos para explicar os resultados observados pela equipa.

Os modelos indicaram que diferentes efeitos eletrónicos - como o acoplamento spin-órbita, em que o movimento de um eletrão está ligado ao seu spin, e as interações de troca magnética - poderiam justificar a resposta registada. Ainda assim, serão necessários mais estudos para o confirmar.

Há também implicações mais amplas. Todos os materiais possuem uma determinada simetria intrínseca, mas esta investigação revela que a combinação de materiais pode quebrar e alterar essas simetrias de formas úteis. A computação quântica poderá ser uma das áreas beneficiadas.

Por enquanto, porém, trata-se de uma experiência à pequena escala, realizada em condições laboratoriais muito específicas, incluindo temperaturas criogénicas. Os próximos passos passarão por testar esta forma alternativa do efeito Hall numa gama mais ampla de materiais e a temperaturas mais próximas da ambiente.

«Os nossos resultados revelam o potencial para conceber efeitos Hall ajustáveis através do controlo da simetria cristalina e das interações de troca nas interfaces», escrevem os investigadores no artigo publicado.

«O nosso trabalho abre possibilidades para futuras investigações sobre outros materiais topológicos de baixa simetria, com o objetivo de criar novos fenómenos de transporte quântico para dispositivos spintrónicos e eletrónicos da próxima geração.»

A investigação foi publicada na Nature Materials.

Este artigo foi verificado por Peter Dockrill e editado por Peter Dockrill. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, avise-nos.