Universidades desenvolvem técnica que reorienta ferromagneto sem elevar temperatura do material.
A Universidade de Basel e a ETH Zurich desenvolveram uma técnica para inverter a polaridade de um ferromagneto especializado com um feixe de laser focado. Os cientistas aplicaram o método em um material formado por duas camadas atomicamente finas do semicondutor orgânico ditelureto de molibdênio. A revista Nature publicou os resultados da pesquisa.
O processo ocorreu sem elevar a temperatura do material. As equipes lideradas pelo Prof. Dr. Tomasz Smoleński, da Universidade de Basel, e pelo Prof. Dr. Ataç Imamoğlu, da ETH Zurich, criaram um procedimento a fim de reorientar a polaridade magnética usando somente luz.
De acordo com o ScienceDaily, o material utilizado foi cuidadosamente projetado com duas camadas atomicamente finas empilhadas com uma leve torção entre elas. Essa configuração estrutural proporciona ao material um comportamento eletrônico incomum. Na estrutura torcida, os elétrons conseguem se organizar em estados topológicos, que são fundamentalmente distintos e não podem ser transformados suavemente uns nos outros.
Alinhamento de spins eletrônicos gera propriedades magnéticas
Ferromagnetos funcionam quando vastos números de minúsculos momentos magnéticos dentro de um material se movem em uníssono. Cada elétron possui uma propriedade chamada spin que produz um campo magnético muito pequeno. O efeito combinado de muitos desses spins alinhados na mesma direção cria um ímã forte e estável, como aquele em uma bússola ou na porta de uma geladeira.
Esse alinhamento só ocorre quando as interações entre os spins são fortes o suficiente para superar o movimento térmico aleatório. Abaixo de uma temperatura crítica específica, essas interações coordenadas dominam. O material se torna ferromagnético.
Tradicionalmente, reverter a polaridade de um ímã requer aquecê-lo acima dessa temperatura crítica. Em temperaturas mais altas, o alinhamento ordenado se desfaz. Os spins se reorganizam. Uma vez que o material esfria novamente, os spins se estabelecem em uma nova orientação coletiva. O ímã aponta em uma direção diferente.
Reorientação com luz
A equipe de pesquisadores conseguiu essa reorientação usando apenas luz, sem elevar a temperatura. As medições foram realizadas pelo estudante de doutorado Olivier Huber, da ETH, juntamente com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Nos experimentos, os pesquisadores conseguiram ajustar os elétrons entre estados topológicos que se comportam como isolantes e aqueles que conduzem eletricidade como metais.
Em ambos os casos, as interações entre elétrons fizeram com que seus spins se alinhassem em paralelo, produzindo um estado ferromagnético. O ferromagneto utilizado no experimento mede apenas alguns micrômetros de diâmetro.
“Nosso principal resultado é que podemos usar um pulso de laser para mudar a orientação coletiva dos spins”, declarou Olivier Huber, estudante de doutorado na ETH que realizou as medições com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Trabalhos anteriores haviam demonstrado que a luz poderia manipular spins individuais de elétrons. Este estudo demonstra a inversão da polaridade de um ferromagneto inteiro de uma só vez.
“Essa mudança foi permanente e, além disso, a topologia influencia a dinâmica da mudança”, disse Smoleński. A equipe utilizou dois feixes de laser distintos: um mais forte para inverter a polaridade e um segundo, mais fraco, para confirmar a inversão.
Controle magnético
Para confirmar que o pequeno ferromagneto havia realmente invertido sua polaridade, a equipe direcionou um segundo feixe de laser, mais fraco, sobre o material. Ao analisar a luz refletida, os cientistas conseguiram determinar a orientação dos spins dos elétrons. A análise validou o sucesso da inversão magnética.
O laser pode fazer mais do que simplesmente inverter o ímã. Ele também pode definir novas fronteiras internas dentro do material microscópico. Assim, o processo cria regiões onde o estado ferromagnético topológico existe. Aliás, como esse processo pode ser repetido, os pesquisadores podem controlar dinamicamente tanto as propriedades magnéticas quanto topológicas do sistema.
“O que é empolgante sobre nosso trabalho é que combinamos os três grandes tópicos da física da matéria condensada moderna em um único experimento: fortes interações entre os elétrons, topologia e controle dinâmico”, afirmou Imamoğlu. Dessa forma, os pesquisadores conduziram o experimento para demonstrar o controle dinâmico tanto das propriedades magnéticas quanto topológicas do sistema.
“No futuro, seremos capazes de usar nosso método para escrever opticamente circuitos topológicos arbitrários e adaptáveis em um chip”, afirmou Smoleński. Esses circuitos poderão incluir interferômetros miniaturizados capazes de detectar campos eletromagnéticos extremamente pequenos. Além disso, a técnica abre novas possibilidades para tecnologias de detecção de precisão.
Fonte: Giz_br
