Pesquisadores da Universidade de Basileia e da ETH Zurique demonstraram um método para reverter a polaridade de ferromagnetos especializados usando um feixe de laser focalizado. Este avanço anuncia um futuro em que os circuitos eletrônicos podem ser projetados e reconfigurados diretamente em wafers usando luz.
Os ferroímãs funcionam porque existem muitos pequenos momentos magnéticos dentro do material movendo-se em uníssono. Cada elétron possui uma propriedade chamada spin que produz um campo magnético muito pequeno. Quando muitos giros se alinham na mesma direção, seu efeito combinado cria um ímã poderoso e estável, como uma bússola ou o ímã na porta de uma geladeira.
Este alinhamento só ocorre quando a interação entre os spins é forte o suficiente para superar o movimento térmico aleatório. Abaixo de uma certa temperatura crítica, estas interações coordenadas dominam e o material torna-se ferromagnético.
Normalmente, inverter a polaridade de um ímã requer aquecê-lo acima de uma temperatura crítica. Em temperaturas mais altas, a ordem é interrompida, permitindo que os spins se reorganizem. Assim que o material esfria novamente, os spins tomam uma nova direção coletiva e os ímãs apontam em direções diferentes.
Comutação térmica do laser
Uma equipa liderada pelo Professor Tomasz Smoleński da Universidade de Basileia e pelo Professor Ataç Imamoğlu da ETH Zurique conseguiu esta reorientação usando apenas luz, sem aumentar a temperatura. Suas descobertas foram publicadas na revista Nature.
“O que é emocionante em nosso trabalho é que combinamos em um experimento três temas principais da física moderna da matéria condensada: fortes interações entre eletrônica, topologia e controle dinâmico”, disse Imamoglu.
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram um material cuidadosamente projetado feito de duas camadas atomicamente finas do semicondutor orgânico ditelureto de molibdênio. As camadas são empilhadas juntas com leves torções entre elas, um detalhe que resulta em um comportamento incomum dos elétrons.
Estados topológicos e materiais quânticos torcidos
Nesta estrutura torcida, os elétrons podem ser organizados nos chamados estados topológicos. Esses estados podem ser entendidos com uma analogia simples. A bola não tem buraco, mas o donut tem. Não importa como você mude o formato da bola, você não pode transformá-la em uma rosquinha sem cortá-la ou rasgá-la. Da mesma forma, os estados topológicos são inerentemente diferentes e não se convertem suavemente entre si.
Em experimentos supervisionados por Smolenski e Imamoglu, os pesquisadores conseguiram sintonizar os elétrons entre estados topológicos que atuam como isolantes e conduzem eletricidade como os metais. Em ambos os casos, a interação entre os elétrons faz com que seus spins se alinhem em paralelo, criando um estado ferromagnético.
“Nosso principal resultado é que podemos usar pulsos de laser para mudar a direção coletiva dos spins”, diz Olivier Huber, estudante de doutorado na ETH Zurique que realizou as medições junto com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Embora trabalhos anteriores tenham mostrado que os spins de um único elétron poderiam ser manipulados com luz, este estudo mostra que a polaridade de um ferromagneto inteiro pode ser trocada de uma só vez. “Essa comutação é permanente e a topologia afeta a dinâmica da comutação”, disse Smoleński.
Controle dinâmico magnético
Os lasers fazem mais do que apenas virar ímãs. Também pode definir novos limites internos dentro de materiais microscópicos, 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, com apenas alguns micrômetros de diâmetro, tinha de fato invertido a polaridade, a equipe direcionou um segundo feixe de laser mais fraco sobre ele. Ao analisar a luz refletida, eles podem determinar a direção do spin do elétron.
“No futuro, seremos capazes de usar nosso método para escrever opticamente circuitos topológicos arbitrários e adaptáveis em wafers”, disse Smoleński. Esses circuitos poderiam incluir minúsculos interferômetros capazes de detectar campos eletromagnéticos extremamente pequenos, abrindo novas possibilidades na tecnologia de detecção de precisão.
