Os materiais bidimensionais têm atraído intenso interesse porque suas propriedades eletrônicas e magnéticas poderiam alimentar tecnologias futuras. Os cientistas tradicionalmente tratam estes dois comportamentos como separados. Engenheiros da Illinois Granger Engineering mostraram agora que estão conectados pela mesma matemática subjacente.
Em um estudo publicado pelo Dr. Exame físico xPesquisadores da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign mostraram como um sistema magnético bidimensional especialmente projetado pode seguir a mesma equação que descreve os elétrons móveis no grafeno. Esta conexão matemática poderia influenciar o projeto de dispositivos de radiofrequência e fornecer aos pesquisadores uma nova e poderosa maneira de analisar e projetar esses materiais.
“Não é nada óbvio que exista uma analogia entre a eletrônica 2D e o comportamento magnético 2D, e ainda estamos surpresos com o quão bem essa analogia funciona”, disse Bobby Kaman, principal autor do estudo. “A eletrônica 2D foi muito bem estudada graças à descoberta do grafeno, e agora mostramos que uma classe pouco estudada obedece à mesma física fundamental.”
Inspiração em metamateriais e grafeno
O conceito surgiu do trabalho de Cannon em metamateriais. Esses materiais são projetados para que sua estrutura em maior escala produza um comportamento que normalmente não ocorreria no arranjo atômico natural do material.
Kaman, um estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais que trabalha no grupo de pesquisa do professor Axel Hoffmann, percebeu que tanto os elétrons do grafeno quanto as excitações magnéticas microscópicas se comportam como ondas no chamado material magnônico. Esta partida levanta uma possibilidade intrigante. Talvez um sistema magnético possa ser projetado de modo que se comporte matematicamente como o grafeno.
“O grafeno é único porque seus elétrons de condução são organizados em ondas sem massa, então fiquei curioso para ver se a geometria física do material magnônico faria com que ele se parecesse com o grafeno e agisse como o grafeno”, disse Kaman. “Achei que poderia ter algumas propriedades semelhantes às do grafeno, mas a semelhança era muito mais profunda e rica do que eu esperava.”
Projetando um sistema magnético que imita o grafeno
Para explorar a ideia, os pesquisadores modelaram um filme magnético fino contendo pequenos orifícios dispostos em um padrão hexagonal. Dentro desta estrutura, momentos magnéticos microscópicos, conhecidos como “spins”, interagem e criam perturbações progressivas chamadas ondas de spin.
Quando a equipe calculou a energia dessas ondas de spin, descobriu que seu comportamento matemático correspondia estreitamente ao dos elétrons que se movem através do grafeno.
O sistema acabou sendo mais complexo do que o esperado. Em vez de uma simples analogia individual, os pesquisadores identificaram nove faixas de energia distintas. Essas bandas permitem que diferentes tipos de comportamento sejam exibidos ao mesmo tempo. Eles incluem ondas de spin sem massa, como ondas de elétrons no grafeno, bem como bandas de dispersão mais baixas associadas a estados localizados e até mesmo efeitos topológicos que abrangem múltiplas bandas.
“O que torna o trabalho de Bobby extraordinário é que ele faz uma conexão direta entre um sistema de spin projetado e um modelo físico fundamental”, disse Hoffman. “Os cristais magnônicos são famosos por produzir uma enorme variedade de fenômenos dependentes de estrutura e geometria, muitos dos quais são catalogados sem serem verdadeiramente compreendidos. A analogia do grafeno com este sistema fornece uma explicação clara para os comportamentos observados.”
Potencial para pequenos dispositivos de microondas
Além de sua importância para a física fundamental, a pesquisa pode ter aplicações práticas. A equipe acredita que o sistema pode ser útil na tecnologia de microondas usada em comunicações celulares e sem fio.
“Um desses dispositivos é um ‘circulador de microondas’ que só permite que sinais de rádio de microondas se propaguem em uma direção”, explica Hoffman. “Eles geralmente são volumosos, mas o sistema magnônico que estudamos poderia permitir que dispositivos de micro-ondas fossem miniaturizados na escala micrométrica.”
O grupo de pesquisa de Hoffman já registrou um pedido de patente cobrindo seus conceitos de dispositivos de micro-ondas.
Jinho Lim e Yingkai Liu também contribuíram para a pesquisa.
O apoio para o trabalho foi fornecido pelo Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais de Illinois, por meio da National Science Foundation.
Axel Hoffmann é professor de engenharia da Illinois Granger no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Ele também está associado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e foi nomeado professor fundador.
