Cientistas da Florida State University criaram um novo tipo de material cristalino que exibe um comportamento magnético raro e complexo. A descoberta pode abrir novos caminhos para tecnologia avançada de armazenamento de dados e futuros dispositivos quânticos.
Resultados, publicados Jornal da Sociedade Química AmericanaMostre que uma mistura de dois elementos com composição química quase idêntica, mas estruturas cristalinas muito diferentes, pode formar uma estrutura inteiramente nova. Esses cristais híbridos inesperados exibem propriedades magnéticas não vistas nos materiais originais.
Como o spin nuclear cria magnetismo
O magnetismo começa na escala atômica. Em materiais magnéticos, cada átomo se comporta como uma pequena barra magnética devido a uma propriedade chamada spin nuclear. O spin pode ser representado como uma pequena seta apontando na direção do campo magnético de um átomo.
Quando muitos spins nucleares se alinham, apontando na mesma direção ou em direções opostas, eles criam a força magnética familiar usada na tecnologia cotidiana, como computadores e smartphones. Esse alinhamento ordenado é característico dos ímãs convencionais.
A equipe da FSU mostrou que seu novo material se comporta de maneira muito diferente. Em vez de estarem perfeitamente alinhados, os giros nucleares são organizados em padrões de turbilhão complexos e repetitivos. Esses arranjos, conhecidos como texturas de spin, influenciam fortemente a forma como um material responde a um campo magnético.
Criação de vórtices magnéticos através de depressões estruturais
Para produzir esses efeitos incomuns, os pesquisadores combinaram deliberadamente dois compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente diferentes. Cada composto tem uma simetria cristalina diferente, o que significa que os átomos estão dispostos de forma incompatível.
Quando estas estruturas se encontram, nenhum sistema pode dominar completamente. Esta instabilidade na fronteira cria o que os cientistas chamam de “frustração” estrutural, onde o sistema não consegue se estabelecer num padrão simples e estável.
“Pensamos que esta frustração estrutural poderia se traduzir em frustração magnética”, disse o co-autor Michael Shatruk, professor da FSU no Departamento de Química e Bioquímica. “Se as estruturas estiverem em competição, talvez isso possa distorcer os spins. Vamos encontrar algumas estruturas que sejam quimicamente muito próximas, mas que tenham simetrias diferentes.”
A equipe testou essa ideia combinando um composto feito de manganês, cobalto e germânio com um composto feito de manganês, cobalto e arsênico. O germânio e o arsênico ficam próximos um do outro na tabela periódica, tornando os compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente distintos.
Quando a mistura esfriou e cristalizou, os pesquisadores examinaram o resultado e confirmaram a presença dos padrões magnéticos rodopiantes que pretendiam. Esses arranjos de spin cicloidal são conhecidos como texturas de spin semelhantes a skyramion, que são o foco principal da pesquisa atual em física e química.
Para mapear detalhadamente a estrutura magnética, a equipe usou medições de espalhamento de nêutrons de cristal único coletadas no instrumento TOPAZ na fonte de nêutrons de espalação. Esta instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA está localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge.
Por que esses padrões magnéticos são importantes?
Os materiais que hospedam texturas de spin semelhantes às do Skyramion têm várias vantagens tecnológicas promissoras. Um uso potencial é em discos rígidos de próxima geração que armazenam muito mais dados no mesmo espaço físico.
Os Skymions também podem ser movidos usando muito pouca energia, o que pode reduzir significativamente a demanda de energia em dispositivos eletrônicos. Em sistemas de computação de grande escala com milhares de processadores, mesmo pequenos ganhos de eficiência podem levar a grandes economias de energia e refrigeração.
A pesquisa poderia ajudar a orientar o desenvolvimento de sistemas de computação quântica tolerantes a falhas. Esses sistemas são projetados para preservar informações quânticas delicadas e continuar a funcionar de maneira confiável, apesar de erros e ruídos – o Santo Graal do processamento de informações quânticas.
“Com dados de difração de nêutrons de cristal único do topázio e novas ferramentas de redução de dados e aprendizado de máquina do nosso projeto LDRD, podemos agora resolver estruturas magnéticas muito complexas com muito maior confiança”, disse Xiaoping Wang, um distinto cientista de dispersão de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Essa capacidade nos permite ir desde simplesmente encontrar texturas de spin incomuns até projetá-las e otimizá-las intencionalmente para futuras tecnologias de informação e quânticas.”
Projete materiais em vez de procurá-los
Grande parte do trabalho anterior sobre skyramions envolveu a pesquisa de elementos conhecidos e o teste deles um por um para ver se os padrões magnéticos desejados apareciam.
Este estudo adotou uma abordagem mais deliberada. Em vez de procurar exemplos existentes, os investigadores conceberam um novo material a partir do zero, usando a frustração estrutural como princípio orientador para criar um comportamento magnético específico.
“É pensamento químico, porque estamos pensando em como o equilíbrio entre essas estruturas afeta a relação entre elas e entre elas, e então como isso pode se traduzir na relação entre os spins nucleares”, disse Shatruk.
Ao compreender as regras subjacentes que governam esses padrões, os cientistas poderão eventualmente ser capazes de prever onde as texturas de spin complexas se formarão antes da criação dos materiais.
“A ideia é ser capaz de prever onde essas texturas complexas de spin aparecerão”, disse o co-autor Ian Campbell, estudante de pós-graduação no laboratório de Shatruk. “Tradicionalmente, os físicos procurariam materiais conhecidos que já exibem a simetria que procuram e mediriam suas propriedades. Mas isso limita a gama de possibilidades. Estamos tentando construir uma capacidade preditiva que diz: ‘Se somarmos essas duas coisas, criaremos um material totalmente novo com essas propriedades desejadas'””
Esta técnica poderia tornar as tecnologias futuras mais práticas, expandindo a gama de materiais utilizáveis. Essa flexibilidade permite que os pesquisadores cultivem cristais com mais facilidade, reduzam custos e fortaleçam a cadeia de fornecimento de materiais magnéticos avançados.
Experiência de pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge
Campbell concluiu parte da pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge, apoiada por uma bolsa da FSU.
“Essa experiência foi útil para esta pesquisa”, disse ele. “Estar em Oak Ridge me permitiu conectar-me com os cientistas de lá e usar seus conhecimentos para resolver alguns dos problemas que tivemos que resolver para concluir esta pesquisa.”
A Florida State University é membro patrocinador das Universidades Associadas de Oak Ridge desde 1951 e uma importante parceira universitária do Laboratório Nacional. Através desta parceria, membros do corpo docente da FSU, pesquisadores de pós-doutorado e estudantes de pós-graduação podem acessar as instalações do ORNL e colaborar com cientistas de laboratório.
Cooperação e financiamento
Coautores adicionais do estudo incluem YiXu Wang, Zachary P. Tener, Judith K. Clark e Jacnel Graterol do Departamento de Química e Bioquímica da FSU; Andrei Rogalev e Fabrice Wilhelm do Centro Europeu de Radiação Síncrotron; Hu Zhang e Yi Long, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim; Richard Dronkowski da Universidade RWTH Aachen; e Xiaoping Wang do Laboratório Nacional de Oak Ridge.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e foi conduzida em instalações da Florida State University e do Oak Ridge National Laboratory.
