Os materiais podem se comportar de maneira estranha quando são diluídos camada por camada até terem apenas um átomo de espessura. Em um novo estudo publicado em Materiais da naturezaFísicos liderados por pesquisadores da Universidade do Texas em Austin observaram uma sequência de estados magnéticos incomuns em um material ultrafino. Seus experimentos confirmam um modelo teórico de longa data de magnetismo bidimensional proposto pela primeira vez na década de 1970. A equipe diz que a descoberta poderá eventualmente ajudar a inspirar tecnologias extremamente compactas que dependem da manipulação do magnetismo em escalas muito pequenas.
A sequência recentemente observada envolve duas mudanças importantes no comportamento magnético que ocorrem quando certos materiais são resfriados até o zero absoluto. Embora os cientistas já tenham detectado cada transição individualmente, este estudo é o primeiro a observar toda a sequência se desenrolando em um único sistema.
Vórtices magnéticos em cristais ultrafinos
Para investigar esses efeitos, os pesquisadores resfriaram uma folha atomicamente fina de trissulfeto de níquel e fósforo (NiPS3) a temperaturas entre -150 e -130 °C. Nesta faixa, o material fez a transição para um estado magnético especial conhecido como fase Berezinsky-Kasterlitz-Tawles (BKT).
Nesta fase, as direções magnéticas dos átomos individuais, chamadas momentos magnéticos, organizam-se em estruturas rodopiantes conhecidas como vórtices. Esses redemoinhos são formados por pares girando em direções opostas, com um girando no sentido horário e outro no sentido anti-horário. Cada par permanece firmemente unido.
A fase BKT recebeu o nome do físico Vadim Berezinsky e dos ganhadores do Nobel J. Michael Kosterlitz e David Tulles, que ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2016 por seu trabalho teórico que descreve esse tipo de transição de fase.
“A fase BKT é particularmente intrigante porque se prevê que estes vórtices sejam excepcionalmente fortes e confinados a apenas alguns nanômetros de diâmetro, enquanto ocupam apenas uma camada atômica de espessura”, disse Edoardo Baldini, professor associado de física da UT e principal autor do estudo. “Devido à sua estabilidade e tamanho extremamente pequeno, esses vórtices oferecem uma nova maneira de controlar o magnetismo em nanoescala e fornecem informações sobre a física topológica universal em sistemas bidimensionais.”
Dos vórtices magnéticos a uma fase ordenada
Quando a temperatura caiu ainda mais, o material entrou em um segundo estado magnético conhecido como fase ordenada do relógio de seis estados. Nesta configuração, os momentos magnéticos se alinham em uma das seis possíveis direções relacionadas à simetria.
A observação da fase BKT e da fase ordenada com temperatura mais baixa apoia a realização experimental do modelo bidimensional do relógio de seis estados. Este quadro teórico, introduzido na década de 1970, prevê a sequência precisa das fases magnéticas observadas na experiência.
“Neste ponto, nosso trabalho demonstra a sequência completa de fases esperada para um modelo de relógio bidimensional de seis estados e estabelece as condições sob as quais vórtices magnéticos em nanoescala surgem naturalmente em um ímã puramente bidimensional”, disse Baldini.
Rumo a futuras tecnologias magnéticas em nanoescala
Os pesquisadores planejam agora estudar como estabilizar fases magnéticas semelhantes em temperaturas cada vez mais altas. Idealmente, eles esperam encontrar materiais que possam manter esses efeitos em temperaturas mais próximas da temperatura ambiente. Esta primeira demonstração é um ponto de partida fundamental para este esforço.
Os resultados também indicam que muitos outros materiais magnéticos bidimensionais podem conter fases magnéticas anteriormente desconhecidas. Esta possibilidade pode levar a novas descobertas na física fundamental, bem como a conceitos futuros de dispositivos eletrônicos em nanoescala.
Equipe de pesquisa e financiamento
O projeto recebeu grande apoio da National Science Foundation (NSF) por meio do Centro de Dinâmica e Controle de Materiais da UT, Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais da NSF. O grupo de Baldini também recebeu financiamento da Love, Tito’s; Fundação Robert A. Welch; Fundação WM Keck; NSF através de um prêmio CAREER; o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, por meio do Programa Jovens Investigadores; e o Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA.
Os três autores seniores do estudo, Baldini, Alan McDonald e Xiaoqing “Elaine” Li, são físicos da UT e membros do Texas Quantum Institute, do qual Li é um dos diretores. O estudo foi coautor de Frank Y. Gao, estudante de doutorado em física na UT e recém-nomeado professor assistente de química na Universidade de Wisconsin-Madison, e Dong Seob Kim, ex-aluno de pós-graduação em física na UT que agora é pós-doutorado na Universidade de Columbia. Contribuidores adicionais vieram do MIT, da Academia Sinica e da Universidade de Utah.
