Durante décadas, os cientistas reconheceram apenas dois tipos principais de ímãs.
Um deles é o conhecido ferromagneto, o tipo encontrado em ímãs de geladeira e em vários dispositivos do dia a dia. O outro são os antiferromagnetos, cujas propriedades magnéticas estão ocultas no nível atômico, mas têm atraído interesse crescente devido ao seu uso potencial em tecnologia avançada.
Mais recentemente, os pesquisadores identificaram uma terceira categoria conhecida como ultraímãs. Propostos pela primeira vez na última década, esses materiais poderiam combinar as propriedades mais úteis dos ferromagnetos e dos antiferromagnetos, abrindo potencialmente a porta para uma eletrônica mais rápida e mais eficiente em termos energéticos.
Agora, físicos da Universidade de Buffalo propuseram um novo método de detecção quântica que poderia facilitar a detecção de ultraímãs.
O método proposto, descrito Carta de revisão físicadetectará como um ultraímã suspeito afeta um pequeno defeito magnético dentro de um diamante próximo. Ao observar como o sinal magnético da falha relaxa ao longo do tempo, os pesquisadores poderão detectar sinais reveladores de ultramagnetismo.
“Este pode ser o primeiro alicerce de uma nova geração de experimentos que determinam se um material é um ultraímã”, disse o autor correspondente Jamir Marino, Ph.D., professor assistente do Departamento de Física da UB, Faculdade de Artes e Ciências. “Os ultraímanes podem revolucionar completamente a forma como transportamos informação, mas para garantir que esta teoria elegante é verdadeira, precisamos de experiências que detectem os ultraímanes e os façam comportar-se como os cientistas prevêem.”
Os co-autores do estudo incluem o ex-colega de Merino, Libor Smejkal, e Jairo Sinova, da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, os pesquisadores que originalmente propuseram o conceito de ultraímãs.
“Esta técnica de detecção pode se tornar uma ferramenta muito importante para explorar candidatos a materiais ultramagnéticos”, disse Sinova. “Ele oferece vantagens sobre as técnicas experimentais convencionais, detectando padrões magnéticos direcionais sutis em diferentes regiões de um material sem perturbá-lo significativamente.”
O que torna os Ultraímãs diferentes?
O conceito de ultramagnetismo surgiu em 2019, quando pesquisadores em Mainz encontraram um comportamento que não poderia ser explicado por ferromagnetos ou antiferromagnetos.
Seus cálculos sugeriram que o dióxido de rutênio não deveria ter magnetização geral, assim como os antiferromagnetos. No entanto, quando exposto a uma corrente eléctrica, comporta-se como um ferromagneto.
Esse resultado inesperado levou ao desenvolvimento do conceito de ultraímã.
Nos ímãs convencionais, os átomos e seus spins de elétrons geralmente se organizam em padrões relativamente simples. Em um ferromagneto, os elétrons vizinhos giram na mesma direção, criando um campo magnético externo. Como esses spins podem ser trocados com relativa facilidade, os ferromagnetos são amplamente utilizados para armazenamento de dados.
Os antiferromagnetos funcionam de maneira diferente. Os spins vizinhos apontam em direções opostas, fazendo com que seus efeitos magnéticos se anulem. Embora este arranjo seja mais difícil de controlar, ele pode mudar de estado mais rapidamente, tornando os antiferromagnetos atraentes para futuras tecnologias de processamento de informação.
Os ultraímãs ocupam um meio-termo. Tal como acontece com os antiferromagnetos, seu magnetismo geral é cancelado. No entanto, o arranjo dos átomos dentro do material permite que os elétrons se comportem de maneira tipicamente associada aos ferromagnetos.
“Este arranjo permite que os ultraímãs combinem o comportamento de comutação rápida dos antiferromagnetos com as propriedades eletrônicas mais facilmente controláveis dos ferromagnetos”, diz Marino.
Usando defeitos de diamante para detectar magnetismo oculto
Pesquisadores em Mainz e em outros lugares já relataram assinaturas experimentais de ultramagnetismo em diversos materiais. Estudos teóricos sugerem que a classe pode ser muito maior, com mais de 200 elementos potencialmente qualificados como ultraímãs. Isso seria mais que o dobro dos materiais ferromagnéticos conhecidos.
Para ajudar a identificar esses candidatos, a equipe de Marino desenvolveu sua técnica proposta de detecção quântica.
O método baseia-se em um diamante contendo um defeito magnético microscópico formado por um átomo de nitrogênio e um átomo de carbono vizinho ausente. Essas falhas são excepcionalmente sensíveis à atividade magnética próxima.
No experimento proposto, os pesquisadores girariam o spin magnético do defeito em diferentes direções e mediriam a rapidez com que ele relaxa. Se o relaxamento ocorrer mais rapidamente em certas direções do que em outras, esse comportamento pode revelar os complexos regimes de spin previstos para os ultraímãs.
Uma vantagem importante da técnica é que ela será menos perturbadora do que muitos métodos existentes usados para estudar materiais magnéticos.
“Você não quer que suas medições perturbem fortemente o material que você está estudando porque pode ser difícil dizer se você está olhando para o comportamento natural do material ou para o comportamento causado pelo experimento”, diz Marino.
Rumo a uma eletrônica mais rápida e eficiente
Marino ressalta que o sistema de sensoriamento existe atualmente apenas como uma proposta teórica. A equipe o desenvolveu usando modelos sofisticados que simulam a dinâmica quântica, mas a validação experimental ainda será necessária antes que os pesquisadores saibam se ele pode detectar ultraímãs de maneira confiável.
“A identificação eficiente de materiais ultramagnéticos é um passo importante para utilizá-los na eletrônica”, disse Marino. “Os ultraímãs tornarão o transporte de informações radicalmente mais eficiente. Isso poderá permitir que a tecnologia seja dimensionada e consuma menos energia.”
Coautores adicionais incluem Hossein Hosseinabadi, PhD, um ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Marino que agora é um bolsista de pós-doutorado individual distinto no Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos na Alemanha e no Instituto de Ciências VASV Bittencourt/Max Planck L da Universidade de Estrasburgo.
O estudo foi apoiado pela Fundação Alemã de Pesquisa.
