Físicos manipulam magnetismo com luz

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08/02/2022 as 19:18
De olho na Engenharia
Físicos manipulam magnetismo com luz

Com a ajuda de um “playground” que eles criaram para observar física exótica, cientistas e colegas do MIT não apenas encontraram uma nova maneira de manipular o magnetismo em um material com luz, mas também perceberam uma forma rara de matéria. O primeiro pode levar a aplicativos, incluindo dispositivos de armazenamento de memória de computador que podem ler ou gravar informações de maneira muito mais rápida, enquanto o último introduz uma nova física.

Um material sólido é composto de diferentes tipos de partículas elementares, como prótons e nêutrons. Também onipresentes nesses materiais estão as “quasipartículas” com as quais o público está menos familiarizado. Estes incluem excitons, que são compostos de um elétron e um “buraco”, ou o espaço deixado para trás quando a luz é irradiada em um material e a energia de um fóton faz com que um elétron salte de sua posição usual. Através dos mistérios da mecânica quântica, no entanto, o elétron e o buraco ainda estão conectados e podem “comunicar” um com o outro por meio de interações eletrostáticas.

“Excitons podem ser vistos como pacotes de energia que se propagam através de um sistema”, diz Edoardo Baldini, um dos dois principais autores de um artigo sobre o trabalho na Nature Communications. Baldini, agora professor da Universidade do Texas em Austin, era um associado de pós-doutorado do MIT quando o trabalho foi realizado no laboratório de Nuh Gedik, professor de física do MIT. A outra autora principal é Carina Belvin, doutoranda do grupo Gedik.

“Os excitons neste material são bastante únicos, pois estão acoplados ao magnetismo no sistema. Foi bastante impressionante poder “chutar” os excitons com luz e observar as mudanças associadas no magnetismo”, diz Gedik, que é também associado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Manipulando o Magnetismo

O trabalho atual envolve a criação de excitons incomuns no material trissulfeto de fósforo de níquel (NiPS3). Esses excitons são “vestidos” ou afetados pelo ambiente que os cerca. Neste caso, esse ambiente é o magnetismo. “Então, o que descobrimos é que, excitando esses excitons, podemos realmente manipular o magnetismo no material”, diz Belvin.

Um ímã funciona por causa de uma propriedade dos elétrons chamada spin (outra propriedade mais familiar dos elétrons é sua carga). O spin pode ser pensado como um ímã elementar, no qual os elétrons de um átomo são como pequenas agulhas orientadas de uma certa maneira. Nos ímãs de sua geladeira, todos os giros apontam na mesma direção, e o material é conhecido como ferroímã. No material usado pela equipe do MIT, os spins alternados apontam em direções opostas, formando um antiferromagneto.

Os físicos descobriram que um pulso de luz faz com que cada uma das pequenas “agulhas” de elétrons no NiPS3 comece a girar em um círculo. Os spins rotativos são sincronizados e formam uma onda em todo o material, conhecida como onda de spin. Ondas de spin podem ser usadas em eletrônica de spin, ou spintrônica, um campo que foi introduzido na década de 1960.

A spintrônica usa essencialmente o spin dos elétrons para ir além da eletrônica, que é baseada em sua carga. A capacidade de criar ondas de spin em um material antiferroelétrico pode levar a futuros dispositivos de memória de computador que podem ler ou escrever informações de maneira muito mais rápida do que aqueles baseados apenas em eletrônicos. “Ainda não chegamos lá. Neste artigo, demonstramos um processo que fundamenta a troca de domínio coerente: o próximo passo é realmente trocar de domínio”, diz Baldini.

Forma Rara de Matéria

Através de seu trabalho, a equipe também demonstrou uma forma rara de matéria. Quando os físicos expuseram o NiPS3 a pulsos intensos de luz, descobriram que ele se transformou em um estado metálico que conduz elétrons enquanto mantém seu magnetismo. O NiPS3 é normalmente um isolante (um material que não conduz elétrons). “É muito raro ter um antiferromagneto e um estado metálico no mesmo material”, diz Belvin.

Os físicos acreditam que isso acontece porque a luz intensa faz com que os excitons colidam uns com os outros e se separem em seus constituintes: elétrons e buracos. “Estamos basicamente destruindo os excitons, para que os elétrons e buracos possam se mover como os de um metal”, diz Baldini. Mas essas partículas móveis não interagem com os spins dos elétrons localizados que participam da onda de spin, de modo que o magnetismo é retido.

Baldini descreve a configuração experimental como um “playground para observar a física de muitos corpos”, que ele define como “a interação elegante entre diferentes corpos, como excitons e ondas de spin”. Ele conclui, “o que eu realmente gostei neste trabalho foi que ele mostra a complexidade do mundo ao nosso redor.”

Outros autores do artigo do MIT são Professor de Física Senthil Todadri, Ilkem Ozge Ozel (Ph.D. ’18), Dan Mao (Ph.D. ’21, agora na Cornell University), Hoi Chun Po (bolsista de pós-doutorado ’18 -’21, agora na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong), e Clifford Allington (um estudante de pós-graduação em química). Outros autores são Suhan Son, Inho Hwang e Je-Geun Park do Instituto de Ciências Básicas (Coreia) e Universidade Nacional de Seul; Beom Hyun Kim do Instituto Coreano de Estudos Avançados; e Jae Hoon Kim e Jonghyeon Kim da Universidade Yonsei.

Os físicos Carina Belvin (à esquerda) e Edoardo Baldini trabalham no laboratório do MIT do professor Nuh Gedik. Eles e seus colegas descobriram uma nova maneira de manipular o magnetismo em um material com luz. Crédito: Tianchuang Luo

Fonte: Engenharia é