Vibrações da rede cristalina revelam transição magnética escondida, mostra estudo do IFUSP

 

Pesquisadores do Instituto de Física da USP (IFUSP) mostraram que as vibrações da rede cristalina de um material podem revelar uma transição magnética que outras técnicas não haviam conseguido detectar. Com um equipamento de magnetoespectroscopia de terahertz implementado no próprio instituto, a equipe identificou a temperatura em que os íons de gadolínio do óxido Gd₂Ru₂O₇ se ordenam magneticamente. O Gd₂Ru₂O₇ é um óxido de gadolínio e rutênio com estrutura do tipo pirocloro, na qual os íons desses dois elementos formam duas redes entrelaçadas de tetraedros. Cada um desses íons se comporta como um minúsculo ímã e, quando o material é resfriado, esses ímãs tendem a se organizar em padrões ordenados. Já se sabia que os íons de rutênio se ordenam abaixo de cerca de 114 K (−159 °C). O ordenamento do gadolínio, porém, nunca havia sido identificado diretamente por medidas de magnetização, calor específico ou espectroscopia Mössbauer. Cálculos teóricos preveem que essa ordem seja multipolar, um arranjo sem magnetização resultante e, por isso, difícil de detectar pelas técnicas magnéticas convencionais. 

 

A radiação terahertz fica entre as micro-ondas e o infravermelho: um terahertz equivale a um trilhão de oscilações por segundo. Nessa faixa de frequências podem aparecer tanto excitações magnéticas quanto fônons, as vibrações coletivas dos átomos da rede cristalina. No experimento, pulsos de terahertz atravessaram uma pastilha do material resfriada a até 1,6 K, apenas 1,6 grau acima do zero absoluto. A amostra foi exposta também a campos magnéticos de até 7 tesla, mais de 100 mil vezes o campo magnético da Terra.

 

Em um único espectro, a equipe registrou dois sinais: uma excitação magnética dos íons de gadolínio e um fônon. A excitação magnética permitiu medir diretamente o campo magnético interno que atua sobre o gadolínio, entre 5 e 6 tesla. Foi o fônon, porém, que revelou a transição escondida. Ele apresentou uma anomalia acentuada na frequência e no tempo de vida a 10 K (−263 °C), temperatura que sobe para 30 K sob campo de 7 tesla. Como as vibrações da rede são afetadas pela desordem dos minúsculos ímãs atômicos, efeito conhecido como acoplamento spin-fônon, a anomalia sinaliza o ordenamento dos íons de gadolínio. O mesmo fônon também marca, perto de 110 K, o ordenamento já conhecido do rutênio, o que mostra que ele responde ao magnetismo dos dois tipos de íons.

 

Diferentemente de outras técnicas em desenvolvimento para detectar ordens multipolares, que exigem monocristais, o método funciona com amostras policristalinas, como a pastilha de pó prensado usada no estudo. Isso abre caminho para investigar ordens magnéticas escondidas em outros materiais magnéticos.

 

O estudo foi feito inteiramente no IFUSP, por dois estudantes de mestrado, um especialista de laboratório e dois docentes. A amostra foi produzida por Rafael Sabainsk, como parte de sua dissertação de mestrado no grupo do professor Rafael S. Freitas. As medidas foram realizadas no grupo do professor Felix G. G. Hernandez, onde o especialista de laboratório Dr. Nicolas M. Kawahala implementou com auxílio de outros membros da equipe o sistema de magnetoespectroscopia de terahertz em baixas temperaturas, o único do país. Kawahala e o mestrando Esteban Marulanda analisaram os dados e propuseram sua interpretação. O artigo é o primeiro resultado publicado com essa nova instrumentação.

 

A pesquisa teve apoio da FAPESP, do CNPq e da CAPES, e do INCT Materiais Quânticos Avançados.