Os computadores do futuro podem depender de muito mais do que a carga elétrica transportada pelos elétrons. Os pesquisadores estão cada vez mais interessados em outra propriedade fundamental do elétron, chamada spin, que poderia fornecer uma nova maneira de transferir e processar informações dentro de dispositivos eletrônicos.
Os computadores tradicionais usam o movimento de cargas elétricas para lidar com dados. Se os cientistas também puderem controlar de forma confiável o spin do elétron, eles poderão desenvolver abordagens inteiramente novas para a computação que funcionem mais rápido e consumam menos energia.
Uma equipe de pesquisa liderada por Madhab Neupane, professor de física na UCF, identificou agora um material que poderia ajudar a tornar isso possível. Neupen e colegas encontraram evidências experimentais de ultramagnetismo, uma forma de magnetismo recentemente reconhecida que combina características úteis associadas a dois estados magnéticos mais conhecidos: ferromagnetismo e antiferromagnetismo.
Um tipo diferente de magnetismo
Ferromagnetismo é o tipo de comportamento magnético familiar aos ímãs comuns. Em materiais ferromagnéticos, os momentos magnéticos apontam na mesma direção, produzindo um campo magnético geral.
Esse comportamento pode ser valioso em tecnologias eletrônicas, mas apresenta uma desvantagem. Os ferroímãs podem gerar campos magnéticos dispersos que interferem nos componentes circundantes, uma preocupação à medida que os dispositivos eletrônicos se tornam menores e mais densamente compactados.
Os antiferromagnetos funcionam de maneira diferente. Seus momentos magnéticos apontam em direções opostas, anulando-se efetivamente e reduzindo significativamente os campos magnéticos dispersos. No entanto, estes materiais carecem de algumas das propriedades eletrônicas que tornam os ferromagnetos atraentes para aplicações técnicas.
Os ultraímãs podem fornecer benefícios de ambas as categorias.
Como os antiferromagnetos, eles podem operar sem criar campos magnéticos dispersos indesejados. Além disso, eles podem gerar e detectar correntes de spin, ou seja, o movimento dos elétrons girando através de um material. Os pesquisadores estão investigando se essas correntes de spin poderiam eventualmente transportar informações através de futuros sistemas eletrônicos.
Neupen e seus colegas encontraram assinaturas experimentais de magnetismo alternativo em empresas1/4É isso2Um material em camadas que consiste em átomos magnéticos de cobalto. O material pode agora servir como uma plataforma experimental flexível para estudar este estado magnético incomum, ao mesmo tempo que ajuda potencialmente no avanço das tecnologias eletrônicas e spintrônicas.
“Esses materiais se distinguem dos antiferromagnetos mais convencionais por sua capacidade de gerar e detectar correntes de spin sem os efeitos negativos da produção de campos dispersos”, diz Neupen. “Esta nova propriedade os torna muito bem posicionados para uso em muitas aplicações diferentes – incluindo spintrônica, dispositivos de memória ultrarrápida, redes terahertz e eletrônica com eficiência energética.”
Detectando mudanças de magnetismo no comportamento dos elétrons
Para determinar se a empresa1/4É isso2 Para realmente demonstrar o magnetismo de mudança, os pesquisadores investigaram como os elétrons se comportam dentro do material.
Eles usaram espectroscopia de fotoemissão com resolução angular, ou ARPES, uma técnica que permite aos pesquisadores medir a energia e o momento dos elétrons e reconstruir a estrutura eletrônica de um material.
“Nossa abordagem foi usar métodos de alta resolução para medir a divisão em níveis de energia que eram insensíveis ao spin do elétron”, diz Neupen. “Então, complementamos esta medição com ARPES com resolução de spin para dizer conclusivamente se isso se assemelha ao magnetismo alternativo.”
As primeiras medições revelaram uma divisão distinta dentro das bandas eletrônicas do material. Os pesquisadores então recorreram ao ARPES com resolução de spin para uma investigação mais detalhada.
Essas medições mostraram que os diferentes estados eletrônicos tinham polarizações de spin opostas, uma importante assinatura esperada do magnetismo alternado.
Não foi fácil ver esse efeito claramente. As técnicas de fotoemissão são extremamente sensíveis às condições da superfície, o que significa que mesmo pequenas quantidades de contaminação podem obscurecer os sinais eletrónicos que os cientistas queriam medir.
Colaboradores produziram amostras de alta qualidade da empresa1/4É isso2Enquanto o grupo de Neupen selecionou cuidadosamente superfícies excepcionalmente limpas antes de mapear suas propriedades eletrônicas.
“A importância ficou clara depois que as medições experimentais corresponderam consistentemente às nossas previsões teóricas”, diz Neupen. “Ver essas evidências independentes juntas nos deixou confiantes de que havíamos identificado um verdadeiro ultraímã em camadas.”
Um material ultrafino e altamente ajustável
A prova do magnetismo alternativo não foi a única característica que fez a empresa1/4É isso2 Apelo aos pesquisadores.
O material consiste em folhas extremamente finas empilhadas. Como as camadas individuais estão fracamente conectadas, os pesquisadores podem separá-las e combiná-las em estruturas muito finas. Esta flexibilidade torna os materiais em camadas atraentes para dispositivos de película fina e outras tecnologias eletrônicas emergentes.
Esta classe de materiais em camadas é conhecida como dichalcogenetos de metais de transição, ou TMDs.
na empresa1/4É isso2Átomos magnéticos de cobalto localizados entre as camadas contribuem para suas características magnéticas incomuns. A estrutura em camadas também dá aos cientistas um controle considerável sobre o material, permitindo-lhes modificá-lo e depois ver como essas mudanças afetam as suas propriedades eletrônicas e magnéticas.
Os pesquisadores também queriam determinar de onde vinham as assinaturas eletrônicas associadas ao magnetismo alternado.
Antes destas experiências, os cientistas não sabiam se as características magnéticas alternadas significativas nos materiais em camadas surgiriam principalmente na superfície ou nas profundezas do material.
As medições indicaram que os estados eletrônicos relevantes vieram principalmente de dentro do próprio material e mostraram evidências claras de ordem magnética alternada.
“A evidência de magnetismo alternativo numa plataforma de materiais versáteis abre muitas novas possibilidades”, diz Milo Sprague, principal estudante de pós-graduação do estudo. “Atualmente há muito debate na teoria magnética alternativa sobre como os estados eletrônicos polarizados por spin interagem com outros fenômenos magnéticos. Agora temos um material que podemos facilmente modificar para explorar essas novas questões.”
Usando o spin do elétron para a eletrônica do futuro
Quase todos os eletrônicos convencionais dependem da carga do elétron para transmitir e processar informações. Mas os elétrons também têm spin, outra propriedade intrínseca que os pesquisadores esperam que possa ser usada na computação.
O campo dedicado ao uso do spin do elétron em dispositivos eletrônicos é chamado de spintrônica.
Os ultraímãs são particularmente interessantes para a spintrônica porque podem criar e detectar correntes de spin sem gerar os incômodos campos magnéticos dispersos associados aos ferromagnetos convencionais.
“À medida que os dispositivos eletrónicos continuam a encolher, os investigadores precisam de novos materiais que possam operar mais rapidamente e consumir menos energia”, diz Neupen.
Materiais em camadas já estão sendo estudados para aplicações que vão desde transistores extremamente pequenos até tecnologias ópticas e outros componentes eletrônicos avançados. Separadamente, os investigadores estão a investigar formas de utilizar correntes de spin para transportar informação digital.
Ultraímãs em camadas poderiam potencialmente conectar essas duas regiões. Suas estruturas extremamente finas e ajustáveis podem permitir controlar o spin dos elétrons, evitando a interferência magnética produzida por ímãs comuns.
“Se esta abordagem se revelar viável, os ultraímanes em camadas estarão na vanguarda do desenvolvimento eletrónico”, diz Neupen.
As principais questões permanecem sobre o ultramagnetismo
A descoberta também fornece aos investigadores algo importante para a ciência básica: um material que pode ser modificado e estudado à medida que os cientistas investigam as muitas questões não resolvidas em torno do magnetismo alternativo no CO.1/4É isso2.
Os investigadores ainda não compreendem completamente porque é que este estado magnético invulgar se forma, porque é que pode por vezes ser preferido a regimes magnéticos concorrentes, incluindo o ferromagnetismo e outras formas de antiferromagnetismo, ou exactamente como se comporta sob diferentes condições.
O trabalho teórico sugere que as interações competitivas entre os elétrons podem influenciar o tipo de ordenação magnética que se desenvolve. Os cientistas estão agora a tentar determinar com que precisão estas teorias descrevem o que realmente acontece em materiais reais.
“Existem muitos detalhes na teoria de como funcionam os ultraímãs que ainda não foram explorados ou verificados”, diz Neupen. “Agora que identificamos múltiplas plataformas para responder a estas questões, estão em curso estudos mais avançados sobre estes materiais”.
Porque os pesquisadores podem mudar a empresa1/4É isso2 e acompanhar como suas propriedades respondem, o material fornece um novo e valioso campo de testes para explorar o magnetismo alternativo e determinar como ele interage com outros efeitos magnéticos e eletrônicos.
Este material é baseado em trabalho apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, sob o prêmio número DE-SC0024304.
