Cinco cristais revelam por que motivo o calor se desvia num campo magnético

Uma diferença de dez vezes aponta para o próprio cristal

Cinco cristais do mesmo material isolante conduziram o calor igualmente bem ao longo do seu comprimento, mas a resposta lateral a um campo magnético diferiu cerca de dez vezes. Esse contraste é a principal conclusão de uma investigação sobre o NiPS3, um cristal magnético em camadas que permite compreender um problema da física que remonta a 2005: por que motivo o calor transportado por vibrações eletricamente neutras se pode desviar num campo magnético.

A colaboração reúne investigadores do Centro Nacional de Ciência de Campos Magnéticos Pulsados de Alta Intensidade da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, em Wuhan, e da ESPCI Paris, em França. As medições relacionam a resposta térmica lateral com as propriedades magnéticas do cristal, e não com a distância percorrida pelos seus portadores de calor entre colisões.

Os investigadores interpretam essa relação como prova de um mecanismo intrínseco, ou seja, enraizado no comportamento magnético e vibracional acoplado do próprio material. A descoberta proporciona aos cientistas um teste experimental para distinguir essa explicação de mecanismos em que impurezas ou outros centros de dispersão geram a resposta lateral.

O artigo de investigação sobre o NiPS3, cuja segunda versão no arXiv está datada de 1 de outubro de 2024, regista uma condutividade térmica lateral máxima de cerca de -1,63 watts por metro por kelvin, a 25 kelvin e 14 tesla. A temperatura corresponde a aproximadamente -248 graus Celsius. O sinal negativo indica o sentido da resposta lateral segundo a convenção de medição do ensaio.

O trabalho foi anunciado a propósito da sua publicação na Science, a 23 de outubro de 2026, hora de Pequim, correspondente a 22 de outubro localmente, e foi descrito como artigo de capa. O argumento experimental detalhado já constava do manuscrito de 2024.

Como pode o calor desviar-se sem carga elétrica?

O efeito Hall elétrico convencional ocorre quando um campo magnético empurra lateralmente cargas elétricas em movimento. As cargas acumulam-se num condutor e criam uma tensão perpendicular à corrente inicial.

O NiPS3 é um isolante elétrico. O calor desloca-se sobretudo através de vibrações da rede cristalina, a disposição ordenada dos átomos. Os físicos descrevem os pacotes dessas vibrações como fonões, tal como descrevem os pacotes de luz como fotões.

Um fonão transporta energia sem transportar carga elétrica líquida. Por isso, não está sujeito à força magnética convencional que desvia o movimento de um eletrão. Ainda assim, pode surgir uma diferença de temperatura através de um cristal isolante quando o calor flui ao longo do cristal e se aplica um campo magnético perpendicular a esse fluxo. Os cientistas chamam a este fenómeno efeito Hall térmico de fonões.

As primeiras provas experimentais surgiram em 2005. Desde então, o debate central tem incidido sobre o mecanismo: se a resposta lateral resulta do comportamento coletivo do cristal ou da dispersão assimétrica dos fonões ao encontrarem impurezas, defeitos ou outras perturbações. Ambas são explicações físicas para um sinal medido, mas atribuem a sua origem a processos diferentes.

O que mediram os campos magnéticos intensos

O NiPS3 contém níquel, fósforo e enxofre. Os átomos de níquel formam camadas em favo de mel, e os seus momentos magnéticos assumem uma configuração antiferromagnética em ziguezague abaixo dos 155 kelvin, aproximadamente -118 graus Celsius. O antiferromagnetismo significa que os momentos se organizam em padrões opostos, em vez de apontarem todos na mesma direção.

A equipa produziu monocristais através de transporte químico em fase de vapor e mediu simultaneamente o fluxo de calor ao longo e através dos cristais, recorrendo a um aquecedor e três termopares. Isto permitiu aos investigadores comparar a corrente térmica principal com a menor resposta de temperatura lateral.

As medições de magnetização chegaram aos 55 tesla a 4,2 kelvin, utilizando campos magnéticos pulsados. Não foi observada qualquer transição magnética nesse intervalo. As medições do efeito Hall térmico descritas no manuscrito chegaram aos 14 tesla, onde a resposta lateral variou linearmente com o campo aplicado.

A condutividade térmica principal atingiu um máximo de 274 watts por metro por kelvin. A sua dependência da temperatura foi quase idêntica a campo zero e a 14 tesla, e atingiu o máximo à mesma temperatura que a condutividade lateral. Os investigadores identificam os fonões como os principais portadores de calor, com uma contribuição reduzida das excitações magnéticas para a corrente térmica principal.

Porque foi importante comparar cinco amostras

Os cinco cristais de NiPS3 proporcionaram uma comparação útil, porque o seu transporte térmico convencional se manteve praticamente inalterado. As curvas da condutividade longitudinal sobrepunham-se e as capacidades térmicas também eram semelhantes.

Consequentemente, o percurso livre médio dos fonões, a distância média percorrida por uma vibração antes de sofrer dispersão, era essencialmente igual nas diferentes amostras. Uma analogia simples é a de cinco estradas em que o trânsito consegue avançar a mesma distância entre interrupções.

A resposta lateral comportou-se de forma muito diferente. O seu valor máximo foi cerca de dez vezes superior num dos cristais ao de outro, apesar de ambos terem uma capacidade semelhante de conduzir o calor para a frente. Isto permitiu à equipa comparar o comportamento magnético mantendo praticamente constante o transporte térmico convencional.

Vários mecanismos de dispersão propostos preveem que a resposta lateral aumente com o percurso livre médio dos fonões. Um modelo discutido no artigo estabelece uma proporcionalidade entre a condutividade longitudinal e essa distância, e entre a condutividade transversal e o seu quadrado. Porém, as experiências com NiPS3 revelaram uma grande variação da condutividade transversal enquanto o percurso livre médio se manteve praticamente constante.

Os autores, investigadores que estudam o transporte térmico no NiPS3, apresentam a sua conclusão no resumo do artigo:

A relevância de uma propriedade termodinâmica, aliada à irrelevância do percurso livre médio, aponta para uma origem intrínseca.

A direção magnética que acompanhou o sinal

A condutividade lateral acompanhou a anisotropia magnética dos cristais, ou seja, a dependência da resposta magnética em relação à direção. A magnetização ao longo da direção designada por a foi quase idêntica nas cinco amostras. Na direção b, variou cerca de 30% entre as amostras com maior e menor anisotropia.

A geminação cristalina ajuda a explicar essa variação. Um cristal geminado contém regiões cujas redes estão rodadas umas em relação às outras. Neste material, essas regiões podem partilhar um eixo comum e estar rodadas 120 graus. Diferentes proporções dessas regiões alteram a resposta magnética medida numa dada direção.

A amostra mais próxima de um cristal com uma orientação dominante apresentou a maior resposta Hall térmica. A amostra com proporções quase iguais das três orientações possíveis apresentou a menor. Assim, tanto a disposição magnética como a estrutura cristalina foram importantes, apesar de o transporte térmico para a frente se ter mantido igual.

As medições de binário magnético proporcionaram uma verificação adicional. Estas acompanharam a variação da energia livre magnética à medida que a direção do campo rodava. A energia livre descreve a energia disponível num sistema em condições especificadas; neste caso, a sua variação direcional mede a intensidade com que o cristal favorece determinadas orientações magnéticas. Essa propriedade de equilíbrio acompanhou o sinal térmico lateral, sustentando o argumento termodinâmico do estudo.

Como podem as vibrações adquirir uma resposta magnética

A explicação microscópica proposta envolve magnões, ondas coletivas na disposição dos momentos magnéticos. Os fonões descrevem vibrações atómicas; os magnões descrevem movimento magnético. O acoplamento permite que estes dois tipos de movimento se influenciem mutuamente.

Os investigadores compararam um espetro de fonões calculado com um espetro de magnões obtido através de medições de dispersão de neutrões. Estes espetros mostram as energias disponíveis para as ondas que se propagam pelo cristal. Vários ramos de fonões e magnões cruzam-se, e o cruzamento identificado a menor energia situa-se perto dos 3,7 milielectrões-volt.

Nesses cruzamentos, o acoplamento pode criar dois modos mistos, que contêm movimento vibracional e magnético. A componente magnética oferece uma via para a excitação combinada responder a um campo, enquanto a componente vibracional transporta calor.

Os cruzamentos ocorrem ao longo da direção do espaço recíproco correspondente ao eixo b do cristal, ligando o mecanismo proposto à direção que foi relevante nas medições de magnetização. Os autores também extraíram uma escala de energia de cerca de 1 milielectrão-volt a partir da dependência da resposta Hall em relação à temperatura. Apresentam estas ligações como prova favorável à hibridização entre magnões e fonões; o mecanismo microscópico detalhado continua a ser objeto de investigação.

O fósforo negro já tinha dado uma pista

Um resultado relacionado foi publicado na Nature Communications a 23 de fevereiro de 2023. O estudo sobre o fósforo negro analisou um material elementar sem ordem magnética, permitindo aos investigadores estudar o efeito Hall térmico de fonões num sistema mais simples.

As condutividades longitudinal e transversal atingiram o máximo a temperaturas quase iguais, tal como acontece no NiPS3. A 12 tesla, os ângulos Hall térmicos medidos em duas configurações foram de aproximadamente 0,005 e 0,0012, equivalentes a 0,5% e 0,12%. O ângulo exprime o gradiente de temperatura lateral em relação ao gradiente de temperatura principal.

Nos materiais isolantes comparados nesse artigo, um comprimento característico calculado a partir da resposta Hall manteve-se entre cerca de 2 e 7 ångströms, uma escala comparável às distâncias entre átomos. Entretanto, os percursos livres médios dos fonões variaram mais de três ordens de grandeza, ou seja, por um fator superior a 1000.

Os investigadores do fósforo negro propuseram que o acoplamento entre ramos de vibrações acústicas e uma distribuição desigual de carga elétrica em torno das ligações poderia proporcionar uma resposta magnética. Também mantiveram entre as hipóteses possíveis as explicações baseadas na dispersão. O NiPS3 acrescenta uma abordagem experimental diferente: cinco amostras com transporte para a frente quase idêntico, mas respostas magnéticas e transversais muito distintas.

Aquecimento de outro cristal ajudou a distinguir desordem e origem

Um estudo adicional, publicado na npj Quantum Materials a 24 de março de 2026, analisou quatro cristais de titanato de estrôncio provenientes de diferentes fornecedores. O estudo sobre desordem e recozimento incluiu Xiaokang Li, Kamran Behnia e Zengwei Zhu, que também participaram na investigação sobre o NiPS3.

As amostras de titanato de estrôncio de melhor qualidade apresentaram ângulos Hall térmicos até 0,3% e 0,15% a 9 tesla. Os cristais mais desordenados praticamente não produziram qualquer sinal. O aquecimento dos cristais desordenados ao ar, a 1000 graus Celsius, restituiu parcialmente a resposta, que chegou a cerca de 0,1% a 9 tesla, alterando muito pouco a sua condutividade térmica longitudinal.

O recozimento, um aquecimento controlado seguido de arrefecimento, pode tornar mais uniforme a tensão interna. Os autores identificam a desordem e a tensão não uniforme como fatores que suprimem uma resposta intrínseca. Os resultados mostram por que motivo a presença de defeitos pode ser muito importante, mesmo quando estes não são apontados como origem do efeito Hall.

A equipa comparou ainda contactos de pasta de prata metálica com contactos de massa lubrificante isolante na mesma amostra e obteve medições indistinguíveis. Para experiências que medem sinais muito pequenos, como ângulos inferiores a 0,02% a 10 tesla, recomendou verificações adicionais de possíveis contribuições dos contactos.

Um esforço de investigação que se estendeu de 2005 a 2026

A colaboração sobre o NiPS3 foi liderada por investigadores de Wuhan e Paris. Liang Li, diretor do Centro Nacional de Ciência de Campos Magnéticos Pulsados de Alta Intensidade, trabalhou com Zengwei Zhu e Kamran Behnia, físico da ESPCI Paris. O estudante de doutoramento Qingkai Meng e o investigador associado Xiaokang Li foram os primeiros autores em conjunto.

Várias datas importantes mostram como se desenvolveu o argumento experimental:

• 2005: Investigadores publicaram as primeiras provas experimentais do efeito Hall de fonões num cristal isolante.
• 23 de fevereiro de 2023: O estudo sobre o fósforo negro relacionou o efeito com vibrações acústicas e identificou a falta de correlação com o percurso livre médio dos fonões.
• 1 de outubro de 2024: A segunda versão do manuscrito sobre o NiPS3 foi publicada no arXiv.
• 24 de março de 2026: O estudo sobre o titanato de estrôncio documentou os efeitos da desordem, do recozimento e dos materiais de contacto.
• 23 de outubro de 2026, hora de Pequim: O trabalho sobre o NiPS3 foi anunciado a propósito da sua publicação em linha na Science.

Em conjunto, estas experiências dão maior importância à orientação magnética, às vibrações acopladas e à tensão interna como fatores que controlam o transporte térmico lateral. Para os laboratórios que tentam reproduzir o efeito, medir a capacidade de um cristal para conduzir calor para a frente é apenas parte do trabalho. É também necessário analisar cuidadosamente a sua estrutura magnética e cristalina.

Principais conclusões

• Cinco cristais de NiPS3 apresentaram uma variação de cerca de dez vezes na condutividade térmica lateral, enquanto o transporte térmico longitudinal se manteve praticamente inalterado.
• A resposta Hall acompanhou a anisotropia magnética e a energia livre magnética direcional, apoiando uma origem intrínseca.
• A condutividade térmica Hall atingiu um máximo perto de -1,63 watts por metro por kelvin, a 25 kelvin e 14 tesla.
• Os cruzamentos entre magnões e fonões perto dos 3,7 milielectrões-volt oferecem uma possível via para que vibrações portadoras de calor respondam a campos magnéticos.
• As experiências com fósforo negro e titanato de estrôncio também relacionam a resposta com propriedades que vão além da distância percorrida pelos fonões, incluindo o acoplamento entre vibrações, a desordem e a tensão.