&bala; Física 18, 127
Um novo cenário de quebra de simetria fornece uma descrição abrangente do comportamento magnético associado ao efeito anômalo do salão.
Em 1879, Edwin Corridor descobriu que um condutor plano que transportava, quando colocado em um campo magnético, desenvolverá uma tensão transversal causada pela deflexão dos portadores de carga. Dois anos depois, ele descobriu que o mesmo efeito surge em ferromagnets, mesmo sem um campo magnético aplicado. Apelidado de efeito anômalo do salão (AHE), que o fenômeno, ao lado do efeito do salão comum, não apenas catalisou a ascensão da física semicondutores e da eletrônica de estado sólido, mas também colocou as bases para uma convergência revolucionária da topologia e da física condensada por salão após as descobertas do salão. Experimentos recentes, no entanto, descobriram comportamentos que não podem ser explicados com as teorias atuais para o AHE. Agora, Zheng Liu, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e de seus colegas, propuseram uma nova interpretação do AHE com base em um novo tipo de cenário de quebra de simetria desencadeado pelo acoplamento de spin-orbit (SOC)-isto é, o acoplamento do giro de um elétron ao seu movimento orbital (1). Ao tratar o SOC como uma perturbação e expandindo -o em uma série, eles fornecem uma descrição abrangente do AHE que resolve algumas das limitações das abordagens teóricas atuais.
O entendimento convencional do AHE se concentrou na quebra de simetria de reversão do tempo causada pela magnetização. Quando os giros estão alinhados, o tempo de reversão vira a direção da tensão do salão. Consequentemente, a resistividade do salão foi naturalmente expressa através de uma dependência linear da magnetização na qual a corrente do salão é desviada em um plano perpendicular à direção da magnetização.
No entanto, estudos recentes da AHE revelaram que essa imagem tradicional é insuficiente. Por exemplo, o AHE pode persistir mesmo quando o plano de deflexão do salão é paralelo à magnetização, e a resistividade do salão geralmente mostra um comportamento não linear complexo (2). Além disso, alguns antiferromagnets com magnetização líquida zero foram encontrados para exibir um AHE significativo, um comportamento que a teoria convencional não pode explicar (3). Essas descobertas levantam uma questão basic: o que poderia fornecer uma compreensão completa e precisa do AHE em termos de ordem magnética? Do ponto de vista de um teórico, a grande escala de energia associada à magnetização (normalmente na ordem dos volts de elétrons) torna os efeitos de ordem superior desafiadores para acomodar dentro de estruturas baseadas em perturbação. Essas limitações desafiam o paradigma que quebra no tempo-reversal e criam uma oportunidade para uma nova base teórica.
As bases para uma compreensão mais profunda do AHE surgiu quando os físicos começaram a considerar o papel do SOC no comando portadores. Esses estudos incorporaram progressivamente o conceito central da fase da baga, revelando que o AHE em ímãs colineares, como ferromagnets e antiferromagnets, hastes de momentos magnéticos e, crucialmente, dos efeitos SOC (4). Mais importante, o SOC é tipicamente muito mais fraco que a troca magnética, o que o torna mais propenso a abordagens perturbadas. Em seu trabalho recente, Liu e colegas propõem uma nova perspectiva. Em vez de ver o AHE apenas como uma conseqüência da quebra de simetria da reversão do tempo, eles a reinterpretaram como um fenômeno impulsionado pela quebra de simetria devido ao SOC.
Que simetria o SOC quebra em um sistema magnético? Para responder, é preciso considerar a simetria do sistema magnético sem SOC. Embora a teoria dos grupos magnéticos tenha sido o padrão para descrever materiais magnéticos, é necessária investigações mais profundas que um grupo de espaço ou simetria mais abrangente é necessário para caracterizar completamente sua geometria e física – a saber, o grupo de spin (5). O grupo surge da natureza intrínseca dos momentos magnéticos locais. Além do fluxo simples, os Spins possuem a propriedade vetorial da rotação. Consequentemente, as simetrias no espaço de rotação podem existir independentemente das simetrias da treliça quando o SOC é insignificante (6). Um exemplo importante é a transição da fase paramagnética para ferromagnética, que corresponde à quebra da simetria de rotação de rotação. Embora o conceito de grupos de spin surgisse mais de meio século atrás, sua teoria matemática foi totalmente desenvolvida apenas recentemente, permitindo a classificação de estruturas magnéticas e a compreensão de suas propriedades físicas (7).
Nas estruturas magnéticas colineares e coplanares sem SOC, a simetria de reversal no tempo é quebrada. Mas uma simetria combinada – reversão do tempo seguida por uma rotação de rotação de 180 ° (uma reversão de tempo efetiva dentro do grupo de rotação) – pode proibir fenômenos como magnetização orbital e ahe. A incorporação de operações do grupo de spin revela que a anisotropia do AHE em relação à estrutura magnética se origina precisamente da quebra de simetria do grupo de spin. Liu e seus colaboradores aproveitaram a estrutura específica dos grupos de rotação em ferromagnets colineares para analisar o AHE em detalhes, formulando uma lei de expansão multipolar mais completa para substituir a fórmula empírica linear tradicional.
A parte dipolar desta nova lei explica com sucesso o AHE no plano observado em materiais de baixa simetria, onde uma corrente de carga induz uma tensão do salão transversal paralelo à direção da magnetização. Além disso, as características não lineares inerentes aos termos multipolar de ordem superior prevêem que o AHE no plano pode ser generalizado nos ímãs. Significativamente, experimentos recentes observaram diretamente o AHE no plano em ferromagnets comuns como ferro e níquel (8), fornecendo forte validação experimental para a teoria.
A simetria e sua quebra são temas essenciais na física. O Grupo Spin, representando o Hamiltoniano livre do SOC, oferece uma nova lente poderosa para estudar vários efeitos do SOC e separar as contribuições para as propriedades materiais das interações de troca magnética e do SOC. O trabalho de Liu e seus colaboradores fornece uma compreensão abrangente do venerável fenômeno AHE: o esquema basic das transições que quebram simetria não de um grupo espacial para um grupo magnético, mas de um grupo de rotação para um grupo magnético. No futuro, a teoria também será aplicável ao efeito não linear, ao efeito Spin Corridor e a outros fenômenos de transporte.
Na última década, os pesquisadores descobriram gradualmente que muitos fenômenos relacionados à rotação podem ser induzidos por momentos magnéticos locais sem exigir o SOC. Um exemplo de destaque é oferecido pelos altermagnets altermags recentemente descobertos, onde a ordem magnética colinear combinada com campos de cristal específicos induz a divisão de rotação-um fenômeno também descrito na estrutura do grupo de spin (9). Além da divisão de spin, a ordem magnética em si pode gerar efeitos geométricos quânticos que se manifestam em vários fenômenos de transporte linear e não linear (10).
Embora Liu e seus colaboradores discutam principalmente materiais ferromagnéticos, uma compreensão semelhante do AHE pode ser estendida diretamente a altermagnets, ímãs não colineares e assim por diante. Agora, uma by way of ampla foi colocada para explorar fenômenos quânticos emergentes em materiais magnéticos através da lente da simetria do grupo de rotação.
Referências
- Z. Liu et al.“Anisotropia multipolar no efeito anômalo da quebra de simetria do grupo de spin”. Phys. Rev. x 15031006 (2025).
- J. Zhou et al.“Superlattice heterodimensional com efeito de salão anômalo no plano”. Natureza 60946 (2022).
- S. Nakatsuji et al.“Grande efeito anômalo de salão em um antiferromagnet não colinear à temperatura ambiente”. Natureza 527212 (2015).
- D. Xiao et al.“Efeitos da fase da baga nas propriedades eletrônicas”. Rev. Mod. Phys. 821959 (2010); N. Nagaosa et al.“Efeito anômalo do salão”. 821539 (2010).
- W. Brinkman e RJ Elliott, “Teoria do grupo espacial para ondas de spin”. J. Appl. Phys. 371457 (1966); DB Litvin, “Grupos de Spin Level”, Acta Crystallogr., Seita. UM 33279 (1977).
- P. Liu et al.“Simetria do grupo de rotação em materiais magnéticos com acoplamento insignificante de spin-orbit”. Phys. Rev. x 12021016 (2022).
- X. Chen et al.“Teoria da enumeração e representação dos grupos espaciais de spin”. Phys. Rev. x 14031038 (2024); Y. Jiang et al.“Enumeração de grupos de espaço de rotação: em direção a uma descrição completa das simetrias de ordens magnéticas”. 14031039 (2024); Z. Xiao et al.“Grupos de espaço de spin: classificação e aplicações completas”. 14031037 (2024); X. Chen et al.“Magnons não convencionais em ímãs colineares ditados por grupos espaciais”. Natureza 640349 (2025).
- W. Peng et al.“Observação do efeito anômalo no plano induzido por Octupole no espaço de magnetização”. ARXIV: 2402.15741.
- L. Šmejkal et al.“Além do ferromagnetismo convencional e do antiferromagnetismo: uma fase com simetria de rotação e rotação de cristais não -relativísticas”. Phys. Rev. x 12031042 (2022).
- H. Zhu et al.“A geometria magnética induziu geometria quântica e transportes não lineares”. Nat. Comun. 164882 (2025).
