Os materiais bidimensionais são de grande interesse porque suas propriedades eletrônicas e magnéticas podem alimentar tecnologias futuras. Os cientistas tradicionalmente consideram esses dois comportamentos separados. Engenheiros da Illinois Grainger Engineering mostraram agora que estão ligados pela mesma base matemática.
Num estudo publicado em Exame físico de Xpesquisadores da Granger College of Engineering da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign demonstraram como sistemas magnéticos bidimensionais especialmente projetados podem seguir as mesmas equações que descrevem os elétrons em movimento no grafeno. Esta relação matemática poderia influenciar o projeto de dispositivos de RF, bem como fornecer aos pesquisadores uma nova maneira poderosa de analisar e projetar esses materiais.
“Não é nada óbvio que exista uma analogia entre a eletrônica 2D e o comportamento magnético 2D, e ainda estamos surpresos com o quão bem essa analogia funciona”, disse Bobby Kaman, principal autor do estudo. “A eletrônica bidimensional é muito bem estudada graças à descoberta do grafeno, e agora mostramos que uma classe de materiais não tão bem estudada obedece à mesma física fundamental.”
Inspiração em metamateriais e grafeno
O conceito surgiu do trabalho de Kaman com metamateriais. Esses materiais são projetados de tal forma que sua estrutura maior cria comportamentos que normalmente não ocorrem no arranjo atômico natural do material.
Kaman, um estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais que trabalha no grupo de pesquisa do professor Axel Hoffmann, percebeu que tanto os elétrons do grafeno quanto as excitações magnéticas microscópicas nos chamados materiais magnônicos se comportam como ondas. Essa semelhança levantou uma possibilidade intrigante. Talvez um sistema magnético possa ser projetado para se comportar matematicamente como o grafeno.
“O grafeno é único porque seus elétrons de condução se organizam em ondas sem massa, então me perguntei se mudar a geometria física de um material magnônico para se parecer com o grafeno o faria agir como o grafeno”, disse Kaman. “Achei que poderia ter algumas propriedades semelhantes às do grafeno, mas a analogia foi muito mais profunda e rica do que eu esperava.”
Desenvolvimento de um sistema magnético que imita o grafeno
Para explorar esta ideia, os investigadores modelaram uma fina película magnética contendo pequenos orifícios dispostos num padrão hexagonal. Dentro desta estrutura, momentos magnéticos microscópicos conhecidos como “spins” interagem para criar perturbações progressivas chamadas ondas de spin.
Quando a equipe calculou a energia dessas ondas de spin, descobriu que seu comportamento matemático correspondia estreitamente ao dos elétrons que se movem através do grafeno.
O sistema acabou sendo ainda mais complicado do que o esperado. Em vez de uma simples analogia individual, os pesquisadores identificaram nove faixas de energia diferentes. Essas bandas permitem que vários tipos de comportamento apareçam ao mesmo tempo. 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 efeitos topológicos abrangendo múltiplas bandas.
“O que torna o trabalho de Bobby notável é que ele faz uma conexão direta entre o sistema de spin construído e o modelo físico fundamental”, disse Hoffman. “Os cristais magnéticos são notórios por produzirem uma enorme variedade de fenômenos dependentes de estrutura e geometria, muitos dos quais são catalogados, mas não compreendidos. A analogia com o grafeno neste sistema fornece uma explicação clara para o comportamento observado.”
Potencial para pequenos dispositivos de microondas
Além de sua importância para a física fundamental, a pesquisa pode ter aplicações práticas. A equipe acredita que o sistema pode ser útil na tecnologia de microondas usada em comunicações celulares e sem fio.
“Um desses dispositivos é um ‘circulador de microondas’, que permite que os sinais de rádio de microondas se propaguem em apenas uma direção”, explicou Hoffman. “Eles geralmente são volumosos, mas o sistema magnônico que estudamos poderia permitir que dispositivos de micro-ondas fossem miniaturizados até a escala micrométrica.”
O grupo de pesquisa de Hoffman já solicitou uma patente cobrindo seus conceitos de dispositivos de micro-ondas.
Jinho Lim e Yinkai Liu também contribuíram para a pesquisa.
O trabalho foi apoiado pelo Centro de Ciência e Engenharia de Materiais de Illinois, por meio da National Science Foundation.
Axel Hofmann é Professor de Engenharia e Ciência de Materiais da Illinois Grainger no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Ele também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e ocupa o cargo de Professor Fundador.
