Os materiais bidimensionais têm atraído intenso interesse porque suas propriedades eletrônicas e magnéticas podem impulsionar tecnologias futuras. Os cientistas tradicionalmente tratam os dois comportamentos separadamente. Engenheiros da Grainger Engineering, em Illinois, mostraram agora que estão conectados através da mesma matemática básica.
Num estudo publicado em Revisão FísicaXPesquisadores da Escola de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign mostraram como um sistema magnético bidimensional especialmente projetado segue as mesmas equações que descrevem o movimento dos elétrons no grafeno. Esta conexão matemática poderia influenciar o projeto de dispositivos de radiofrequência e fornecer aos pesquisadores novas maneiras poderosas de analisar e projetar esses materiais.
“A analogia entre a eletrônica 2D e o comportamento magnético 2D não é óbvia, mas ainda assim ficamos surpresos com o quão bem a analogia funcionou”, disse Bobby Kaman, principal autor do estudo. “A eletrônica 2D tem sido bem estudada desde a descoberta do grafeno, e agora demonstramos uma classe fundamental de materiais físicos que não foi totalmente estudada.”
Inspiração em metamateriais e grafeno
O conceito originou-se da pesquisa de Kaman sobre metamateriais. Esses materiais são projetados para que suas estruturas em larga escala produzam comportamentos que normalmente não ocorrem no arranjo atômico natural do material.
Kaman, estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais no grupo de pesquisa do professor Axel Hofmann, percebeu que tanto os elétrons do grafeno quanto as excitações magnéticas microscópicas nos chamados materiais de ondas magnéticas se comportam como ondas. Esta semelhança levanta uma possibilidade interessante. Talvez um sistema magnético pudesse ser projetado para se comportar matematicamente como o grafeno.
“O grafeno é único porque seus elétrons condutores se organizam em ondas sem massa, então fiquei curioso para saber se mudar a geometria física do material da onda magnética para se parecer com o grafeno faria com que ele se comportasse como o grafeno”, disse Kaman. “Achei que poderia ter algumas propriedades semelhantes às do grafeno, mas a analogia foi mais profunda e rica do que eu esperava.”
Projetando um sistema magnético que imita o grafeno
Para explorar esta ideia, os investigadores simularam uma fina película magnética contendo pequenos orifícios dispostos num padrão hexagonal. Nesta estrutura, momentos magnéticos microscópicos chamados “spins” interagem e produzem distúrbios de viagem chamados ondas de spin.
Quando a equipe calculou a energia dessas ondas de spin, descobriu que seu comportamento matemático correspondia estreitamente ao comportamento dos elétrons que se movem no grafeno.
O sistema acabou sendo mais complexo do que o esperado. Em vez de fazer uma simples analogia individual, os pesquisadores identificaram nove faixas de energia diferentes. Essas tiras permitem que vários tipos de comportamento ocorram simultaneamente. Estes incluem ondas de spin sem massa semelhantes às ondas de elétrons do grafeno, bem como bandas de baixa dispersão associadas a estados localizados e até mesmo efeitos topológicos que abrangem múltiplas bandas.
“O trabalho de Bobby é notável porque estabelece uma ligação direta entre sistemas de spin projetados e modelos físicos fundamentais”, disse Hoffman. “Os cristais magnéticos são notórios por produzirem uma ampla variedade de fenômenos estruturais e geométricos relacionados, muitos dos quais são classificados sem serem verdadeiramente compreendidos. A analogia do grafeno neste sistema fornece uma explicação clara para o comportamento observado.”
O potencial dos pequenos dispositivos de micro-ondas
Além de sua importância para a física fundamental, esta pesquisa pode ter aplicações práticas. A equipe acredita que o sistema pode ser útil para tecnologias de microondas utilizadas 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 Hofmann. “Eles geralmente são volumosos, mas o sistema de ondas magnéticas que estudamos permite que dispositivos de micro-ondas sejam miniaturizados até o nível micrométrico.”
O grupo de pesquisa de Hofmann registrou um pedido de patente cobrindo seu conceito de dispositivo de micro-ondas.
Jinho Lim e Yingkai Liu também contribuíram para esta pesquisa.
Este trabalho foi apoiado pelo Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais de Illinois, por meio da National Science Foundation.
Axel Hoffmann é professor de ciência e engenharia de materiais no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Grainger College of Engineering em Illinois. Ele também foi afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e foi nomeado Professor Fundador.
