Quando os materiais se tornam mais finos, camada por camada, até terem apenas um átomo de espessura, eles exibem comportamentos surpreendentes. Em um novo estudo publicado em materiais naturaisFísicos liderados por pesquisadores da Universidade do Texas em Austin observaram uma série de estados magnéticos incomuns em materiais ultrafinos. Seus experimentos confirmaram um modelo teórico de longa data de magnetismo bidimensional proposto pela primeira vez na década de 1970. A equipe diz que a descoberta poderá eventualmente ajudar a inspirar tecnologias extremamente compactas que dependem do controle do magnetismo em escalas muito pequenas.
A sequência recentemente observada envolve duas mudanças importantes no comportamento magnético que ocorrem quando certos materiais são resfriados até o zero absoluto. Embora os cientistas já tenham detectado cada transição individualmente, este estudo é o primeiro a observar toda a sequência se desenrolando em um único sistema.
Vórtices magnéticos em cristais ultrafinos
Para estudar esses efeitos, os pesquisadores resfriaram folhas atomicamente finas de trissulfeto de níquel e fósforo (NiPS3) entre -150 e -130 °C. Dentro desta faixa, o material entra em um estado magnético especial denominado fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT).
Nesta fase, as direções magnéticas dos átomos individuais, chamadas momentos magnéticos, organizam-se em estruturas rodopiantes chamadas vórtices. Esses vórtices se formam aos pares e giram em direções opostas, um girando no sentido horário e outro no sentido anti-horário. Cada par está intimamente conectado.
A fase BKT leva o nome do físico Vadim Berezinskii e dos vencedores do Prêmio Nobel J. Michael Kosterlitz e David Thouless, que ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2016 por seu trabalho teórico que descreve essas transições de fase.
“A fase BKT é de particular interesse porque se espera que estes vórtices sejam invulgarmente fortes, com uma extensão lateral de apenas alguns nanómetros e uma espessura que ocupa apenas uma camada atómica,” disse Edoardo Baldini, professor assistente de física na UT e líder do estudo. “Devido à sua estabilidade e tamanho extremamente pequeno, esses vórtices oferecem uma nova maneira de controlar o magnetismo em escala nanométrica e fornecem uma compreensão geral das topologias em sistemas bidimensionais.”
De vórtices magnéticos a fases ordenadas
Quando a temperatura cai ainda mais, o material faz a transição para um segundo estado magnético, denominado fase ordenada pelo relógio de seis estados. Nesta configuração, os momentos magnéticos estão alinhados ao longo de uma das seis direções possíveis que estão simetricamente relacionadas.
A observação da fase BKT e da fase ordenada de temperatura mais baixa confirma a realização experimental do modelo bidimensional do relógio de seis estados. Introduzida na década de 1970, esta estrutura teórica prevê a sequência precisa de fases magnéticas vistas experimentalmente.
“Nesta fase, nosso trabalho demonstra a sequência completa de estágios esperados de um modelo de relógio bidimensional de seis estados e estabelece as condições sob as quais vórtices magnéticos em nanoescala surgem naturalmente em ímãs puramente bidimensionais”, disse Baldini.
Rumo ao futuro da tecnologia magnética em nanoescala
Os pesquisadores agora planejam explorar como fases magnéticas semelhantes podem ser estabilizadas em temperaturas que aumentam gradualmente. Idealmente, eles esperam encontrar materiais que possam manter esses efeitos em temperaturas próximas à ambiente. A primeira demonstração fornece um ponto de partida crítico para este trabalho.
As descobertas também sugerem que muitos outros materiais magnéticos bidimensionais podem possuir fases magnéticas anteriormente desconhecidas. Esta possibilidade poderia levar a novas descobertas em física fundamental e conceitos futuros para dispositivos eletrônicos em nanoescala.
Equipe de pesquisa e financiamento
O projeto recebeu grande apoio da National Science Foundation (NSF) por meio do Centro de Dinâmica e Controle de Materiais da UT (NSF Materials Research Science and Engineering Center). O grupo de Baldini também recebeu financiamento de Love Tito; a Fundação Robert Welch; a Fundação WM Keck; a NSF através de um Prêmio CARREIRA; o Prêmio do Programa para Jovens Investigadores do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA; e o Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA.
Os três autores seniores do estudo, Baldini, Alan McDonald e Xiaoqin Li, são físicos da Universidade do Texas e membros do Texas Quantum Institute, que Li codirige. Os co-autores do estudo são Frank Y. Gao, pós-doutorado em física na Universidade do Texas e novo professor assistente de química na Universidade de Wisconsin-Madison, e Dong Seob Kim, ex-aluno de pós-graduação em física na Universidade do Texas e agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia. Outros colaboradores são do MIT, da Academia Sinica e da Universidade de Utah.
