Cientistas da Florida State University desenvolveram um novo tipo de material cristalino que apresenta um comportamento magnético raro e complexo. A descoberta pode abrir novos caminhos para tecnologias avançadas de armazenamento de dados e futuros dispositivos quânticos.
Resultados publicados em Jornal da Sociedade Química Americanamostram que misturar dois materiais com composições químicas quase idênticas, mas estruturas cristalinas muito diferentes, pode criar uma estrutura inteiramente nova. Este inesperado cristal híbrido exibe propriedades magnéticas não encontradas em nenhum dos materiais originais.
Como os spins atômicos criam magnetismo
O magnetismo começa na escala atômica. Em materiais magnéticos, cada átomo se comporta como uma pequena barra magnética devido a uma propriedade chamada spin atômico. O spin pode ser representado como uma pequena seta indicando a direção do campo magnético do átomo.
Quando muitos spins atômicos se alinham, ou em direções opostas, eles criam as forças magnéticas familiares usadas na tecnologia cotidiana, como computadores e smartphones. Este tipo de alinhamento ordenado é típico de ímãs comuns.
A equipe da FSU demonstrou que seu novo material se comporta de maneira muito diferente. Em vez de se alinharem ordenadamente, os spins atômicos se organizam em padrões complexos e repetitivos. Esses mecanismos, conhecidos como texturas de spin, influenciam fortemente a forma como um material responde aos campos magnéticos.
Criação de vórtices magnéticos através de frustração estrutural
Para produzir estes efeitos incomuns, os pesquisadores combinaram deliberadamente 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 estas estruturas se encontram, nenhuma delas consegue dominar completamente. Esta instabilidade na fronteira cria o que os cientistas chamam de “frustração” estrutural, quando o sistema não consegue estabelecer um padrão simples e estável.
“Pensamos que talvez esta frustração estrutural se transformasse em frustração magnética”, disse o co-autor Michael Shatruk, professor do Departamento de Química e Bioquímica da URSS. “Se as estruturas competirem, talvez isso faça com que os spins se torçam. Vamos encontrar algumas estruturas que sejam quimicamente muito próximas, mas que tenham simetrias diferentes.”
A equipe testou essa ideia combinando um composto de manganês, cobalto e germânio com outro de manganês, cobalto e arsênico. O germânio e o arsênico estão próximos um do outro na tabela periódica, tornando os compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente diferentes.
Depois que a mistura esfriou e cristalizou, os pesquisadores examinaram o resultado e confirmaram a presença dos padrões magnéticos distorcidos que pretendiam. Essas estruturas de spin cicloidal são conhecidas como texturas de spin semelhantes a skyrmion, que 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 com o instrumento TOPAZ na Spallation Neutron Source. Esta instalação de 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?
Os materiais que contêm texturas de spin semelhantes às do skyrmion têm várias vantagens tecnológicas promissoras. Um caso de uso potencial são os discos rígidos de próxima geração que armazenam muito mais informações no mesmo espaço físico.
Skyrmions também podem ser movidos usando muito pouca energia, o que pode reduzir significativamente as necessidades de energia dos dispositivos eletrônicos. Em sistemas de computação de grande escala com milhares de processadores, mesmo ganhos modestos de eficiência podem levar a economias significativas de energia e refrigeração.
A pesquisa também pode ajudar no 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, apesar 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 processamento de dados e aprendizado de máquina do nosso projeto LDRD, podemos agora desvendar estruturas magnéticas muito complexas com muito maior confiança”, disse Xiaoping Wang, um distinto cientista de espalhamento de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Essa capacidade nos permite passar da simples localização de texturas de spin incomuns para projetá-las e otimizá-las deliberadamente para informações futuras e tecnologias quânticas.”
Desenvolvendo materiais, não os encontrando
Grande parte do trabalho anterior sobre skyrmions envolveu encontrar materiais conhecidos e testá-los um por um para ver se os padrões magnéticos corretos apareciam.
Este estudo adotou uma abordagem mais deliberada. Em vez de procurar exemplos existentes, os pesquisadores projetaram o novo material 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 pode se traduzir na relação entre os spins atômicos”, disse Shatruk.
Ao compreender as regras básicas que regem esses padrões, os cientistas serão eventualmente capazes de 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 procuram materiais conhecidos que já apresentam a simetria que procuram e medem as suas propriedades. Mas isto limita o leque de possibilidades. Estamos a tentar desenvolver uma capacidade preditiva para dizer: “Se somarmos estas duas coisas, formaremos um material completamente novo com estas propriedades desejadas.”
Esta estratégia também pode tornar as tecnologias futuras mais práticas, expandindo a gama de ingredientes adequados. Essa flexibilidade poderia permitir aos investigadores cultivar cristais com mais facilidade, reduzir custos e fortalecer as cadeias de abastecimento de materiais magnéticos avançados.
Experiência de pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge
Campbell completou parte de sua pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge com o apoio de uma bolsa da ex-URSS.
“Essa experiência foi importante para este estudo”, disse ele. “Estar em Oak Ridge me permitiu fazer conexões com cientistas de lá e usar seus conhecimentos para ajudar em alguns dos desafios que tivemos que resolver para concluir este estudo.”
A Florida State University é membro patrocinador das Universidades Associadas de Oak Ridge desde 1951 e também é a principal parceira universitária do laboratório nacional. Através desta parceria, professores, estudantes de doutoramento e estudantes de pós-graduação de países da ex-URSS podem aceder às instalações do ORNL e colaborar com cientistas de laboratório.
Cooperação e financiamento
Coautores adicionais do estudo incluem Yisue Wang, Zachary P. Tanner, Judith K. Clark e Jacqueline Graterol do Departamento de Química e Bioquímica da ex-URSS; Andrey Rogalev e Fabrics Wilhelm do Centro Europeu de Radiação Síncrotron; Hu Zhang e Yi Long, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim; Richard Drankowski da Universidade de Aachen RWTH; e Xiaoping Wang, do Laboratório Nacional de Oak Ridge.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e foi conduzida em instalações da Florida State University e do Oak Ridge National Laboratory.
