Pesquisadores da Universidade de Basileia e da ETH Zurique demonstraram uma maneira de alterar a polaridade de um ferromagneto especializado usando um feixe de laser focalizado. O progresso aponta para um futuro em que a luz poderá ser usada para projetar e reconfigurar circuitos eletrônicos diretamente em um chip.
Os ferroímãs funcionam porque um grande número de pequenos momentos magnéticos dentro do material se movem em uníssono. Cada elétron tem uma propriedade chamada spin que cria um campo magnético muito pequeno. Quando muitos desses giros se alinham na mesma direção, seu efeito combinado cria um ímã forte e estável, como em uma bússola ou na porta de uma geladeira.
Tal alinhamento ocorre somente quando a interação entre os spins é forte o suficiente para superar o movimento térmico aleatório. Abaixo de uma certa temperatura crítica, estas interações coordenadas dominam e o material torna-se ferromagnético.
Geralmente, alterar a polaridade de um ímã requer aquecê-lo acima dessa temperatura crítica. Em temperaturas mais altas, o alinhamento ordenado é interrompido, permitindo que os spins se reorganizem. Assim que o material esfria novamente, os spins assumem uma nova orientação coletiva e o ímã aponta em uma direção diferente.
Trocando o laser sem aquecimento
Uma equipe liderada pelo Prof. Tomasz Smolenski da Universidade de Basileia e pelo Prof. Atach Imaglu da ETH Zurique conseguiu essa reorientação usando apenas luz, sem aumentar a temperatura. Seus resultados foram publicados na revista Nature.
“O que é interessante em nosso trabalho é que reunimos três grandes tópicos da física moderna da matéria condensada em um experimento: fortes interações entre elétrons, topologia e controle dinâmico”, diz Imaglu.
Para conseguir isso, os pesquisadores trabalharam com um material cuidadosamente projetado feito de duas camadas atomicamente finas do semicondutor orgânico ditelureto de molibdênio. As camadas são empilhadas com uma leve torção entre elas, detalhe que cria o comportamento incomum da eletrônica.
Estados topológicos e materiais quânticos torcidos
Nesta estrutura distorcida, os elétrons podem se organizar nos chamados estados topológicos. Esses estados podem ser entendidos com uma analogia simples. Uma bola não tem buraco, mas uma rosquinha tem. Não importa o quanto você remodele a bola, você não conseguirá transformá-la em uma rosquinha sem cortá-la ou rasgá-la. Da mesma forma, os estados topológicos são fundamentalmente diferentes e não podem transformar-se suavemente uns nos outros.
Em experimentos liderados por Smolensky e Imagolou, os pesquisadores conseguiram sintonizar os elétrons entre estados topológicos que se comportam como isolantes e aqueles que conduzem eletricidade como metais. Em ambos os casos, a interação entre os elétrons fez com que seus spins se alinhassem em paralelo, criando um estado ferromagnético.
“Nosso principal resultado é que podemos usar um pulso de laser para alterar a orientação geral dos spins”, diz Olivier Huber, um estudante graduado da ETH que realizou as medições com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smolenski. Embora trabalhos anteriores tenham mostrado que os spins de elétrons individuais podem ser manipulados com luz, este estudo demonstra a mudança simultânea da polaridade de um ferromagneto inteiro. “Essa comutação foi permanente e, além disso, a topologia afeta a dinâmica da comutação”, diz Smolensky.
Controle dinâmico de estados magnéticos
O laser faz mais do que apenas virar o ímã. Também pode definir novos limites internos dentro de um material microscópico, criando regiões onde existe um estado ferromagnético topológico. Como esse processo é repetível, os pesquisadores podem controlar dinamicamente as propriedades magnéticas e topológicas do sistema.
Para confirmar que o minúsculo ferromagneto, com apenas alguns micrómetros de diâmetro, tinha de facto invertido a sua polaridade, a equipa apontou-lhe um segundo feixe de laser mais fraco. Ao analisar a luz refletida, eles puderam determinar a orientação dos spins dos elétrons.
“No futuro, poderemos usar nosso método para registrar opticamente circuitos topológicos arbitrários e adaptativos em um chip”, diz Smolensky. Tais esquemas poderiam incluir interferômetros em miniatura capazes de detectar campos eletromagnéticos extremamente pequenos, abrindo novas possibilidades para tecnologias de detecção de precisão.
