Os materiais podem se comportar de maneiras surpreendentes quando são diluídos camada por camada até terem apenas um átomo de espessura. Um novo estudo publicado em Materiais da naturezaFísicos liderados por pesquisadores da Universidade do Texas em Austin observaram uma sequência de estados magnéticos incomuns em um material ultrafino. Seus experimentos confirmam um modelo teórico de longa data de magnetismo bidimensional proposto pela primeira vez na década de 1970. A equipe disse que a descoberta poderá eventualmente ajudar a inspirar tecnologias altamente compactas que dependem do controle do magnetismo em uma escala muito pequena.
A sequência recentemente observada envolve duas mudanças importantes no comportamento magnético que ocorrem à medida que alguns elementos esfriam em direção ao zero absoluto. Embora os cientistas já tenham identificado cada transição separadamente, este estudo é o primeiro a observar toda a sequência se desenrolando em um único sistema.
Vórtices magnéticos em cristais ultrafinos
Para investigar esses efeitos, os pesquisadores resfriaram uma folha atomicamente fina de trissulfeto de níquel e fósforo (NiPS3) a temperaturas entre -150 e -130 graus Celsius. Nesta faixa, o material entra em um estado magnético especial conhecido como fase Berezhinsky-Kosterlitz-Thules (BKT).
Nesta fase, os aspectos magnéticos dos átomos individuais, chamados momentos magnéticos, são organizados em estruturas rotativas conhecidas como vórtices. Esses vórtices são formados em pares que giram em sentidos opostos, um no sentido horário e outro no sentido anti-horário. Cada par está firmemente conectado.
A fase BKT leva o nome do físico Vadim Berezinsky e do vencedor do Prêmio Nobel J. Retirado de Michael Kosterlitz e David Thouless, que receberam o Prêmio Nobel de Física de 2016 por seu trabalho teórico que descreve tais transições de fase.
“A fase BKT é particularmente intrigante porque estes vórtices são excepcionalmente fortes e prevê-se que sejam limitados a apenas alguns nanómetros de espessura, enquanto ocupam apenas uma única camada atómica,” disse Edoardo Baldini, professor assistente de física na UT e líder da investigação. “Devido à sua estabilidade e tamanho extremamente pequeno, esses vórtices oferecem uma nova rota para controlar o magnetismo em nanoescala e fornecem informações sobre a física topológica universal em sistemas bidimensionais.”
Uma fase ordenada do vórtice magnético
Quando a temperatura cai ainda mais, o material faz a transição para um segundo estado magnético conhecido como fase ordenada do relógio de seis estados. Nesta configuração, os momentos magnéticos estão alinhados em uma das seis direções possíveis relacionadas por simetria.
Tanto a fase BKT observada quanto a fase ordenada de baixa temperatura confirmam a realização experimental do modelo bidimensional do relógio de seis estados. Este referencial teórico, introduzido na década de 1970, prevê a sequência precisa das fases magnéticas observadas em experimentos.
“Neste ponto, nosso trabalho demonstra a sequência completa de fases esperada para um modelo de relógio bidimensional de seis estados e estabelece as condições sob as quais vórtices magnéticos em nanoescala emergem naturalmente em um ímã puramente bidimensional”, disse Baldini.
Rumo a futuras tecnologias magnéticas em nanoescala
Os pesquisadores planejam agora explorar como estabilizar fases magnéticas semelhantes em temperaturas cada vez mais altas. Idealmente, eles esperam descobrir materiais que possam manter esses efeitos próximos à temperatura ambiente. Esta primeira demonstração fornece um ponto de partida fundamental para esse esforço.
Os resultados também sugerem que muitos outros materiais magnéticos bidimensionais podem hospedar fases magnéticas até então desconhecidas. Esta possibilidade pode levar a novas descobertas na física fundamental, bem como a conceitos futuros para dispositivos eletrônicos em nanoescala.
Equipe de pesquisa e financiamento
O projeto recebeu apoio inicial da National Science Foundation (NSF) por meio do Centro de Dinâmica e Controle de Materiais da UT, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da NSF. O grupo de Baldini também recebeu financiamento de Love, Tito; Fundação Robert A. Welch; Fundação Bolo WM; NSF através de um prêmio de carreira; pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA por meio de um prêmio do Programa para Jovens Investigadores; e o Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA.
Os três autores seniores do estudo, Baldini, Alan McDonald e Xiaoqin “Elaine” Li, são físicos da UT e membros do Texas Quantum Institute, que Li codirige. O co-primeiro autor do estudo é Frank Y. Gao, pós-doutorado em física na UT e novo professor assistente de química na Universidade de Wisconsin-Madison, e Dong Seob Kim, ex-aluno de pós-graduação em física na UT que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia. Contribuidores adicionais vieram do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Academia Sinica e da Universidade de Utah.
