Cinco cristais revelam por que o calor muda de direção em um campo magnético

Uma diferença de dez vezes aponta para o próprio cristal

Cinco cristais do mesmo material isolante conduziram calor igualmente bem ao longo de seu comprimento, mas sua resposta lateral a um campo magnético diferiu cerca de dez vezes. Esse contraste é a principal descoberta de uma pesquisa sobre o NiPS3, um cristal magnético em camadas que oferece uma maneira de compreender uma questão da física que remonta a 2005: por que o calor transportado por vibrações eletricamente neutras pode mudar de direção em um campo magnético.

A colaboração reúne pesquisadores do Centro Nacional de Ciência de Campo Magnético Pulsado da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, em Wuhan, e da ESPCI Paris, na França. As medições relacionam a resposta lateral do calor às propriedades magnéticas do cristal, e não à distância percorrida pelos portadores de calor entre colisões.

Os pesquisadores interpretam essa relação como evidência de um mecanismo intrínseco, ou seja, que tem origem no comportamento magnético e vibracional acoplado do próprio material. A descoberta oferece aos cientistas um teste experimental para distinguir essa explicação de mecanismos nos quais impurezas ou outros centros de espalhamento geram a resposta lateral.

O artigo de pesquisa sobre o NiPS3, cuja segunda versão no arXiv tem data de 1º de outubro de 2024, registra um pico de condutividade térmica transversal de cerca de -1,63 watt por metro por kelvin a 25 kelvin e 14 teslas. A temperatura corresponde a aproximadamente 248 graus Celsius negativos. O sinal negativo indica a direção da resposta transversal segundo a convenção de medição do experimento.

O trabalho foi anunciado em conexão com sua publicação na Science em 23 de outubro de 2026, no horário de Pequim, correspondente a 22 de outubro no horário local, e foi descrito como artigo de capa. O argumento experimental detalhado já constava do manuscrito de 2024.

Como o calor pode mudar de direção sem carga elétrica?

O efeito Hall elétrico comum ocorre quando um campo magnético empurra cargas elétricas em movimento para o lado. As cargas se acumulam em um dos lados de um condutor, gerando uma tensão perpendicular à corrente original.

O NiPS3 é um isolante elétrico. O calor se desloca por ele principalmente na forma de vibrações da rede cristalina, o arranjo ordenado dos átomos. Os físicos descrevem pacotes dessas vibrações como fônons, assim como descrevem pacotes de luz como fótons.

Um fônon transporta energia sem transportar carga elétrica líquida. Por isso, não sofre a força magnética convencional que desvia o movimento de um elétron. Ainda assim, pode surgir uma diferença de temperatura entre os lados de um cristal isolante quando o calor flui ao longo dele e um campo magnético é aplicado perpendicularmente a esse fluxo. Os cientistas chamam esse fenômeno de efeito Hall térmico de fônons.

As primeiras evidências experimentais surgiram em 2005. Desde então, o debate central tem sido sobre o mecanismo: se a resposta lateral resulta do comportamento coletivo do cristal ou de espalhamento assimétrico quando os fônons encontram impurezas, defeitos ou outras perturbações. Ambos são explicações físicas para um sinal medido, mas atribuem sua origem a processos diferentes.

O que os campos magnéticos intensos mediram

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

A equipe cultivou monocristais por transporte químico de vapor e mediu simultaneamente o fluxo de calor ao longo e através deles, usando um aquecedor e três termopares. Isso permitiu aos pesquisadores comparar a corrente principal de calor com a resposta menor de temperatura na direção transversal.

As medições de magnetização chegaram a 55 teslas a 4,2 kelvin, usando campos magnéticos pulsados. Não apareceu nenhuma transição magnética nesse intervalo. As medições do efeito Hall térmico descritas no manuscrito chegaram a 14 teslas, condição em que a resposta transversal variou linearmente com o campo aplicado.

A condutividade térmica principal atingiu um pico de 274 watts por metro por kelvin. Sua dependência da temperatura foi quase idêntica em campo zero e a 14 teslas, e ela atingiu o pico na mesma temperatura que a condutividade transversal. Os pesquisadores identificam os fônons como os principais portadores de calor, com pouca contribuição das excitações magnéticas para a corrente térmica principal.

Por que foi importante comparar cinco amostras

Os cinco cristais de NiPS3 permitiram uma comparação útil porque seu transporte térmico comum permaneceu praticamente inalterado. As curvas de condutividade longitudinal se sobrepunham, e as capacidades térmicas também eram semelhantes.

Consequentemente, o caminho livre médio dos fônons, a distância média percorrida por uma vibração antes de sofrer espalhamento, era essencialmente igual nas amostras. Uma analogia simples seria a de cinco estradas nas quais o tráfego consegue percorrer distâncias iguais entre interrupções.

A resposta transversal se comportou de maneira bem diferente. Seu pico foi cerca de dez vezes maior em um dos cristais do que em outro, apesar de ambos terem capacidade semelhante de conduzir calor para a frente. Isso deu à equipe uma maneira de comparar o comportamento magnético mantendo quase constante o transporte térmico comum.

Vários mecanismos de espalhamento propostos preveem que a resposta transversal deve aumentar com o caminho livre médio dos fônons. Um modelo discutido no artigo estabelece que a condutividade longitudinal é proporcional a essa distância e a condutividade transversal é proporcional ao seu quadrado. Em vez disso, os experimentos com NiPS3 encontraram uma grande variação na condutividade transversal enquanto o caminho livre médio permanecia efetivamente constante.

Os autores, pesquisadores que investigam o transporte térmico no NiPS3, apresentam sua conclusão no resumo do artigo:

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

A direção magnética que acompanhou o sinal

A condutividade transversal acompanhou a anisotropia magnética dos cristais, isto é, sua resposta magnética dependia da direção. A magnetização na direção identificada como a foi quase idêntica nas cinco amostras. Na direção b, variou aproximadamente 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 giradas umas em relação às outras. Nesse material, essas regiões podem compartilhar um eixo comum e, ao mesmo tempo, estar giradas em 120 graus. Diferentes proporções dessas regiões alteram a resposta magnética medida em uma direção escolhida.

A amostra mais próxima de um cristal com uma orientação predominante apresentou a maior resposta Hall térmica. A amostra com proporções quase iguais das três orientações possíveis apresentou a menor. Portanto, a configuração magnética e a estrutura cristalina foram importantes, mesmo com o transporte de calor para a frente permanecendo igual.

As medições de torque ofereceram outra verificação. Elas acompanharam como a energia livre magnética variava com a rotação da direção do campo. A energia livre descreve a energia disponível para um sistema em condições determinadas; neste caso, sua variação direcional mede o quanto o cristal favorece certas orientações magnéticas. Essa propriedade de equilíbrio acompanhou o sinal de calor transversal, fornecendo o argumento termodinâmico do estudo.

Como as vibrações poderiam adquirir uma resposta magnética

A explicação microscópica proposta envolve magnons, ondas coletivas na disposição dos momentos magnéticos. Os fônons descrevem vibrações atômicas; os magnons descrevem movimentos magnéticos. O acoplamento permite que esses dois tipos de movimento influenciem um ao outro.

Os pesquisadores compararam um espectro de fônons calculado com um espectro de magnons obtido por medições de espalhamento de nêutrons. Esses espectros mostram as energias disponíveis para as ondas que se propagam pelo cristal. Vamos de fônons e de magnons se cruzam; o cruzamento identificado de menor energia fica próximo de 3,7 milielectronvolts.

Nesses cruzamentos, o acoplamento pode criar dois modos mistos, que contêm tanto movimento vibracional quanto magnético. A componente magnética oferece uma via para que a excitação combinada responda a um campo, enquanto sua 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 relevante nas medições de magnetização. Os autores também extraíram uma escala de energia de cerca de 1 milielectronvolt da dependência da resposta Hall em relação à temperatura. Eles apresentam essas relações como evidências favoráveis à hibridização de magnons e fônons; o mecanismo microscópico detalhado ainda precisa ser testado.

O fósforo negro forneceu uma pista anterior

Um resultado relacionado foi publicado na Nature Communications em 23 de fevereiro de 2023. O estudo sobre fósforo negro examinou um material elementar sem ordem magnética, permitindo aos pesquisadores investigar uma situação mais simples para o efeito Hall térmico de fônons.

As condutividades longitudinal e transversal atingiram seus picos em temperaturas quase iguais, assim como ocorre no NiPS3. A 12 teslas, 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 expressa o gradiente de temperatura transversal em relação ao gradiente de temperatura principal.

Entre os materiais isolantes comparados naquele artigo, um comprimento característico calculado a partir da resposta Hall permaneceu entre cerca de 2 e 7 angstroms, uma escala comparável às distâncias entre átomos. Enquanto isso, os caminhos livres médios dos fônons variaram em mais de três ordens de grandeza, ou seja, por um fator superior a 1.000.

Os pesquisadores do estudo sobre fósforo negro propuseram que o acoplamento entre ramos de vibrações acústicas e uma distribuição desigual de carga elétrica ao redor das ligações poderia gerar uma resposta magnética. Eles também mantiveram as explicações baseadas em espalhamento entre as possibilidades. O NiPS3 acrescenta uma ferramenta experimental diferente: cinco amostras com transporte para a frente quase idêntico, mas respostas magnética e transversal bastante distintas.

Aquececer outro cristal ajudou a separar a desordem da origem do efeito

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

As amostras de titanato de estrôncio de melhor qualidade apresentaram ângulos Hall térmicos de até 0,3% e 0,15% a 9 teslas. Os cristais mais desordenados praticamente não produziram sinal. Aquecer os cristais desordenados ao ar, a 1.000 graus Celsius, restaurou parcialmente a resposta, que chegou a cerca de 0,1% a 9 teslas, com pouca alteração na condutividade térmica longitudinal.

O recozimento, que consiste em aquecer de forma controlada e depois resfriar, pode tornar mais uniforme a tensão interna. Os autores identificam a desordem e a tensão desigual como fatores que suprimem uma resposta intrínseca. Os resultados mostram por que a presença de defeitos pode ser muito importante mesmo quando eles não são considerados a origem do efeito Hall.

A equipe também comparou contatos de pasta de prata metálica com contatos de graxa isolante na mesma amostra e obteve medições indistinguíveis. Para experimentos que medem sinais muito pequenos, como ângulos inferiores a 0,02% a 10 teslas, os pesquisadores recomendaram verificações adicionais de possíveis contribuições dos contatos.

Uma pesquisa que se estende de 2005 a 2026

A colaboração sobre o NiPS3 foi liderada por pesquisadores de Wuhan e Paris. Liang Li, diretor do Centro Nacional de Ciência de Campo Magnético Pulsado, trabalhou com Zengwei Zhu e o físico Kamran Behnia, da ESPCI Paris. O doutorando Qingkai Meng e o pesquisador associado Xiaokang Li foram os primeiros autores conjuntos.

Vários marcos datados mostram como o argumento experimental se desenvolveu:

• 2005: Pesquisadores publicaram as primeiras evidências experimentais do efeito Hall de fônons em um cristal isolante.
• 23 de fevereiro de 2023: O estudo sobre fósforo negro relacionou o efeito a vibrações acústicas e identificou a falta de correlação com o caminho livre médio dos fônons.
• 1º de outubro de 2024: A segunda versão do manuscrito sobre o NiPS3 foi publicada no arXiv.
• 24 de março de 2026: O estudo sobre titanato de estrôncio documentou os efeitos da desordem, do recozimento e dos materiais usados nos contatos.
• 23 de outubro de 2026, no horário de Pequim: O trabalho sobre o NiPS3 foi anunciado em conexão com sua publicação on-line na Science.

Em conjunto, os experimentos direcionam a atenção para a orientação magnética, as vibrações acopladas e a tensão interna como fatores que controlam o transporte lateral de calor. Para os laboratórios que tentam reproduzir o efeito, medir a capacidade de um cristal de conduzir calor para a frente é apenas parte do trabalho. Também é necessário examinar de perto sua estrutura e sua organização magnética.

Principais pontos

• Cinco cristais de NiPS3 apresentaram uma variação de aproximadamente dez vezes na condutividade térmica transversal, enquanto o transporte de calor longitudinal permaneceu praticamente inalterado.
• A resposta Hall acompanhou a anisotropia magnética e a energia livre magnética direcional, favorecendo uma origem intrínseca.
• A condutividade Hall térmica atingiu um pico próximo de -1,63 watt por metro por kelvin a 25 kelvin e 14 teslas.
• Cruzamentos entre magnons e fônons próximos de 3,7 milielectronvolts oferecem uma possível via para que vibrações que transportam calor respondam a campos magnéticos.
• Experimentos com fósforo negro e titanato de estrôncio também relacionam a resposta a propriedades que vão além da distância percorrida pelos fônons, como o acoplamento entre vibrações, a desordem e a tensão.