Pesquisadores da Universidade de Basileia e da ETH Zurique demonstraram uma maneira de reverter a polaridade de um ferromagneto especial usando um feixe de laser focalizado. O avanço aponta para um futuro onde a luz poderá ser usada para projetar e reconfigurar circuitos eletrônicos diretamente em um chip.
Os ferroímãs funcionam porque um grande número de pequenos momentos magnéticos se movem juntos dentro de um material. Cada elétron tem uma propriedade chamada spin que cria um campo magnético muito pequeno. Quando muitos desses giros estão alinhados na mesma direção, seu efeito combinado cria um ímã forte e estável, como uma bússola ou uma porta de geladeira.
Este alinhamento só ocorre quando as interações entre os spins são fortes o suficiente para superar o movimento térmico aleatório. Abaixo de uma certa temperatura crítica, estas interações coesivas dominam e o material torna-se ferromagnético.
Geralmente, para inverter a polaridade de um ímã é necessário aquecê-lo acima dessa temperatura crítica. Em temperaturas mais altas, o alinhamento ordenado é interrompido, permitindo que os spins se reorganizem. Quando o material esfria novamente, os spins assumem uma nova orientação de junta e o ímã aponta em uma direção diferente.
Troca de laser sem calor
Professor Dr. Universidade de Basileia. Thomas Smolensky e professor da ETH Zurique. A equipe liderada por Atak Imamoglu conseguiu esse rearranjo usando apenas luz sem aumentar a temperatura. Seus resultados foram publicados na revista Nature.
“O que é emocionante em nosso trabalho é que reunimos em um único experimento três grandes tópicos da física moderna da matéria condensada: fortes interações entre elétrons, topologia e controle dinâmico”, disse Imamolu.
Para conseguir isso, os pesquisadores trabalharam com um material cuidadosamente projetado feito de duas camadas atomicamente finas do semicondutor orgânico ditelureto de molibdênio. As camadas são empilhadas com uma leve torção entre elas, detalhe que dá origem a um comportamento eletrônico incomum.
Estados topológicos e materiais quânticos torcidos
Nesta estrutura curvada, os elétrons podem ser organizados no que é conhecido como estados topológicos. Essas condições podem ser compreendidas por meio de uma analogia simples. Uma bola não tem buracos, enquanto uma rosquinha tem um. Não importa como você remodele uma bola, você não pode transformá-la em uma rosquinha sem cortá-la ou rasgá-la. Da mesma forma, os estados topológicos são fundamentalmente distintos e não podem transformar-se suavemente uns nos outros.
Em experimentos supervisionados por Smoleski e Imamolu, os pesquisadores conseguiram sintonizar os elétrons em estados topológicos que se comportam como isolantes e aqueles que conduzem eletricidade como os metais. Em ambos os casos, a interação entre os elétrons alinha seus spins paralelamente, criando um estado ferromagnético.
“Nosso principal resultado é que podemos usar um pulso de laser para alterar a orientação coletiva dos spins”, disse Olivier Huber, estudante de doutorado na ETH que realizou as medições com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleski. Embora trabalhos anteriores tenham mostrado que os spins de elétrons individuais podem ser manipulados com luz, este estudo mostra que a polaridade de um ferromagneto inteiro pode ser alterada de uma só vez. “Essa comutação foi persistente e, além disso, a topologia afetou a dinâmica da comutação”, diz Smoleski.
Controle dinâmico de estados magnéticos
O laser faz mais do que apenas inverter o ímã. Também pode definir novos limites internos dentro do material microscópico, criando regiões onde existem estados ferromagnéticos topológicos. Como esse processo pode ser repetido, os pesquisadores podem controlar dinamicamente as propriedades magnéticas e topológicas do sistema.
Para confirmar que o minúsculo ferromagneto, que media apenas alguns micrómetros de diâmetro, tinha de facto invertido a sua polaridade, a equipa direcionou-lhe um segundo feixe de laser mais fraco. Ao analisar a luz refletida, eles podem determinar a orientação do spin do elétron.
“No futuro, seremos capazes de usar nosso método para escrever opticamente circuitos topológicos arbitrários e adaptativos em um chip”, diz Smoleski. Esses circuitos podem incluir minúsculos interferômetros capazes de detectar campos eletromagnéticos extremamente pequenos, abrindo novas possibilidades para a tecnologia de detecção de precisão.
