Cientistas da Florida State University desenvolveram um novo material cristalino que exibe um comportamento magnético raro e complexo. A descoberta poderá abrir novos caminhos para tecnologias avançadas de armazenamento de dados e futuros dispositivos quânticos.
As descobertas foram publicadas em Jornal da Sociedade Química Americanamostrando que a mistura de dois materiais com composições químicas quase idênticas, mas estruturas cristalinas radicalmente diferentes, pode produzir estruturas inteiramente novas. Os inesperados cristais híbridos exibem propriedades magnéticas não encontradas em nenhum dos materiais originais.
Como o spin atômico cria magnetismo
O magnetismo começa na escala atômica. Em materiais magnéticos, cada átomo se comporta como uma pequena barra magnética devido às propriedades do spin atômico. O spin pode ser representado como uma pequena seta mostrando a direção do campo magnético de um átomo.
Quando muitos spins atômicos se alinham, apontando na mesma direção ou em direções opostas, eles criam as forças magnéticas familiares usadas na tecnologia cotidiana, como computadores e smartphones. Este arranjo ordenado é típico dos ímãs convencionais.
A equipe da Florida State University demonstrou que seu novo material se comporta de maneira muito diferente. Em vez de serem organizados de maneira organizada, os spins atômicos são organizados em padrões complexos e repetitivos. Esses arranjos, conhecidos como texturas de spin, influenciam fortemente a forma como o material responde aos campos magnéticos.
Vórtices magnéticos criados por frustração estrutural
Para produzir esses efeitos incomuns, os pesquisadores combinaram intencionalmente dois compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente incompatíveis. Cada composto tem uma simetria cristalina diferente, o que significa que os átomos estão organizados de maneiras incompatíveis.
Quando essas estruturas se encontram, nenhum arranjo pode dominar completamente. A instabilidade desta fronteira cria o que os cientistas chamam de “frustração” estrutural, a incapacidade de um sistema cair num padrão simples e estável.
“Pensámos que esta frustração estrutural poderia traduzir-se em frustração magnética”, disse o co-autor Michael Shatruk, professor do Departamento de Química e Bioquímica da FSU. “Se essas estruturas estivessem competindo, talvez isso causasse distorção de spin. Vamos encontrar algumas estruturas que sejam quimicamente muito próximas, mas que tenham simetrias diferentes.”
A equipe testou essa ideia combinando um composto feito de manganês, cobalto e germânio com outro composto feito de manganês, cobalto e arsênico. O germânio e o arsênico estão próximos um do outro na tabela periódica, tornando os dois compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente diferentes.
Depois que a mistura esfriou e cristalizou, os pesquisadores examinaram os resultados e confirmaram a presença do padrão magnético rotativo desejado. Esses arranjos de spin ciclóide são chamados de texturas de spin semelhantes a skyrmion e são o foco principal da pesquisa atual em física e química.
Para mapear detalhadamente a estrutura magnética, a equipe usou medições de difração de nêutrons de cristal único coletadas pelo instrumento TOPAZ da Spallation Neutron Source. A instalação do usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA está localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge.
Por que esses padrões magnéticos são importantes
Materiais com texturas de rotação semelhantes às do skyrmion oferecem várias vantagens tecnológicas promissoras. Um uso potencial é em discos rígidos de próxima geração, que podem armazenar mais informações no mesmo espaço físico.
Skyrmions também usam muito pouca energia para se mover, o que poderia reduzir significativamente os requisitos de energia dos dispositivos eletrônicos. Em grandes sistemas de computação com milhares de processadores, mesmo melhorias modestas na eficiência podem se traduzir em economias significativas de energia e refrigeração.
A pesquisa também pode ajudar a orientar o desenvolvimento de sistemas de computação quântica tolerantes a falhas. Esses sistemas são projetados para proteger informações quânticas frágeis e continuar a operar de forma confiável na presença de erros e ruídos – o Santo Graal do processamento de informações quânticas.
“Com dados de difração de nêutrons de cristal único do TOPAZ e novas ferramentas de redução de dados e aprendizado de máquina do projeto LDRD, podemos agora resolver estruturas magnéticas muito complexas com maior confiança”, disse Xiaoping Wang, distinto cientista de espalhamento de nêutrons do Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Essa capacidade nos permite passar da simples busca por texturas de spin incomuns para projetá-las e otimizá-las intencionalmente para informações futuras e tecnologias quânticas.”
Projete materiais em vez de encontrá-los
Grande parte dos primeiros trabalhos sobre skyrmions envolveu a busca de materiais conhecidos e o teste deles um por um para ver se o padrão magnético desejado emergia.
Este estudo adotou uma abordagem mais comedida. Em vez de procurar exemplos existentes, os investigadores conceberam um novo material a partir do zero, usando a frustração estrutural como princípio orientador para criar um comportamento magnético específico.
“É pensamento químico porque estamos pensando em como o equilíbrio entre essas estruturas as afeta e a relação entre elas, e então como isso se traduz na relação entre os spins dos átomos”, disse Shatruk.
Ao compreender as regras básicas que regem esses padrões, os cientistas poderão eventualmente prever onde as texturas de spin complexas se formarão antes de fabricar o material.
“A ideia é ser capaz de prever onde essas texturas complexas de spin aparecerão”, disse o co-autor Ian Campbell, estudante de pós-graduação no laboratório de Shatruk. “Tradicionalmente, os físicos procurariam materiais conhecidos que já apresentassem a simetria que procuram e mediriam as suas propriedades. Mas isso limita o leque de possibilidades. Estamos a tentar desenvolver a capacidade de prever: ‘Se somarmos estas duas coisas, formaremos um material inteiramente novo com estas propriedades desejadas.'”
Esta estratégia também poderia tornar as tecnologias futuras mais práticas, expandindo a gama de ingredientes disponíveis. Essa flexibilidade pode permitir que os pesquisadores cultivem cristais com mais facilidade, reduzam custos e fortaleçam a cadeia de fornecimento de materiais magnéticos avançados.
Experiência de pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge
Campbell concluiu parte de sua pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge com o apoio de uma bolsa da Florida State University.
“A experiência foi muito útil para a pesquisa”, disse ele. “Em Oak Ridge, consegui interagir com os cientistas de lá e usar seus conhecimentos para ajudar a resolver alguns dos problemas que tivemos que resolver para concluir este estudo.”
A Florida State University é membro fundador do Oak Ridge Consortium desde 1951 e é a principal parceira universitária dos laboratórios nacionais. Esta parceria permite que professores, pesquisadores de pós-doutorado e estudantes de pós-graduação da FSU utilizem as instalações do Laboratório Nacional de Oak Ridge e colaborem com cientistas do laboratório.
Cooperação e financiamento
Outros coautores do estudo incluem YiXu Wang, Zachary P. Tener, Judith K. Clark e Jacnel Graterol, Departamento de Química e Bioquímica da Florida State University; Andrei Rogalev e Fabrice Wilhelm, do Centro Europeu de Radiação Síncrotron; Zhang Hu e Long Yi, Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim; Richard Dronskowski, RWTH Universidade de Aachen; e Xiaoping Wang, Laboratório Nacional de Oak Ridge.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e conduzida em instalações da Florida State University e do Oak Ridge National Laboratory.
