Fônons, as partículas de calor e som, são manipulados magneticamente

Com informações a Agência Fapesp - 08/07/2022

Estrutura cristalina do composto de chumbo (vermelho) e telúrio (azul). À esquerda, sem a presença do campo magnético. À direita, sob a influência de um forte campo magnético.
[Imagem: Andrey Baydin]

Manipulação de fônons

Físicos brasileiros conseguiram demonstrar, pela primeira vez, que os fônons podem ser controlados magneticamente.

Um fônon é uma quasipartícula que designa a menor unidade - um quantum - de vibração dos átomos em um cristal. Assim, embora seja classicamente uma onda elástica, como o que está envolvido são vibrações passando de átomo para átomos, é preciso lançar mão da mecânica quântica para explicá-lo: Um quantum de energia viajando pela rede cristalina.

E essa explicação torna o fônon o elemento fundamental de uma série de fenômenos, como a dissipação e o transporte do calor e do som - o nome fônon vem do grego phone, que significa som ou voz. Já se fala até mesmo na fonônica, uma espécie de "eletrônica do calor".

Assim, manipular fônons oferece um amplo leque de aplicações tecnológicas, da retirada do calor de chips e motores e da exploração de dispositivos termoelétricos até a modificação das propriedades de um material e a indução da supercondutividade.

Agora, pesquisadores brasileiros adicionaram mais uma ferramenta para esse controle, abrindo todo um leque de novas possibilidades e eventuais aplicações.

"Existem formas de controlar os fônons. Mas, até a realização de nosso estudo, não era esperado que campos magnéticos pudessem ser usados para isso," conta o professor Felix Hernandez, do Instituto de Física da USP.

Os fônons estão na base de transistores que funciona com calor em vez de eletricidade e também dos tão procurados lasers de som.
[Imagem: Thor Balkhed]

Fônons acústicos e fônons ópticos

A equipe trabalhou com o telureto de chumbo (PbTe), um dos materiais mais utilizados para aplicações termoelétricas, como aproveitar o calor do motor dos carros para gerar eletricidade.

Filmes finos de PbTe foram submetidos a campos magnéticos extremamente intensos, superiores a 25 teslas, 5 mil vezes mais fortes do que um ímã comum de geladeira.

"Quando os átomos vibram de forma sincronizada, os fônons podem ser entendidos como ondas acústicas, que se propagam pela rede transferindo calor. Mas existe também outra modalidade de fônon. Se um pulso de laser for lançado sobre o telureto de chumbo, os íons de telúrio e chumbo que formam a rede cristalina passarão a oscilar transversalmente, na mesma direção, mas em sentidos contrários. Esse tipo de fônon é classificado como óptico," detalha Hernandez.

A ação do campo magnético transfere momento angular para os íons de telúrio e chumbo, que possuem massas diferentes, e o movimento transversal transforma-se em circular. "Fônons ópticos circularmente polarizados absorvem luz de forma desigual, um fenômeno conhecido como dicroísmo circular magnético. Adicionalmente, observamos que as frequências desses fônons se separam em função da magnitude do campo. Isso é resultado do momento magnético na interação de Zeeman e do deslocamento diamagnético," afirma o pesquisador.

O Efeito Zeeman [Pieter Zeeman (1865-1943)] consiste na divisão das linhas espectrais de um material por um forte campo magnético. Quanto ao diamagnetismo, este consiste no aparecimento de um momento angular orientado no sentido oposto ao do campo magnético externo. "Demonstramos que esses dados observados resultam de mudanças mórficas induzidas pelo campo magnético nas simetrias do cristal," esclarece Hernandez.

Dispositivos termoelétricos

Os experimentos renderam um conjunto inédito de informações que ajudarão no avanço das pesquisas e das aplicações baseadas em fônons.

Em resumo, a equipe demonstrou que o modo de oscilação dos fônons não é harmônico; que os fônons se suavizam, isto é, que sua energia diminui com a diminuição da temperatura; que os fônons se tornam circularmente polarizados, à direita ou à esquerda, no campo; que cada sentido de polarização, direita ou esquerda, absorve luz de forma diferente, isto é, que o material passa a apresentar dicroísmo circular magnético; que a separação em energia dos tipos de polarização é devida à interação de Zeeman e ao deslocamento diamagnético; e que a interação de Zeeman é 100 vezes mais intensa do que a esperada pela teoria.

"Foi a primeira vez que se observou o diamagnetismo de fônons," destacou Hernandez. "Este trabalho apresenta a prova de conceito de um novo mecanismo para controlar os fônons, que poderá ser usado para melhorar os dispositivos termoelétricos".

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