Durante décadas, os cientistas reconheceram apenas dois tipos principais de ímãs.
Um deles é o familiar ferromagneto encontrado em ímãs de geladeira e em inúmeros dispositivos do dia a dia. Outro é um antiferromagneto, cujas propriedades magnéticas estão ocultas no nível atômico, mas estão atraindo interesse crescente por seu uso potencial em tecnologia avançada.
Mais recentemente, os pesquisadores identificaram uma terceira categoria conhecida como alterímãs. Propostos pela primeira vez na última década, esses materiais podem combinar algumas das características mais úteis dos ferromagnetos e antiferromagnetos, potencialmente abrindo a porta para uma eletrônica mais rápida e mais eficiente em termos energéticos.
Agora, físicos da Universidade de Buffalo propuseram uma nova abordagem de detecção quântica que poderia tornar a identificação de alterímãs muito mais fácil.
O método proposto descrito em Fichas de exame físicodescubra como o suposto alterímã afeta um pequeno defeito magnético em um diamante próximo. Observando o sinal magnético do defeito relaxar ao longo do tempo, os pesquisadores podem detectar sinais reveladores de altermagnetismo.
“Este pode ser o primeiro alicerce de uma nova geração de experimentos que determinam se um material é um alterímã”, diz o autor correspondente Jamir Marina, Ph.D., professor associado de física na Faculdade de Artes e Ciências da UB. “Os alterímanes podem revolucionar completamente a forma como transmitimos informação, mas para confirmar se esta elegante teoria é verdadeira, precisamos de experiências que identifiquem os alterímanes e confirmem que se comportam como os cientistas prevêem.”
O estudo foi coautor dos ex-colegas Marina Libar Schmeikal e Haira Sinova da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz, os pesquisadores que originalmente propuseram o conceito de alterímãs.
“Este método de detecção pode se tornar uma ferramenta muito importante para estudar candidatos a materiais altermagnéticos”, diz Sinova. “Isso oferece vantagens sobre os métodos experimentais convencionais, revelando padrões magnéticos direcionais sutis em diferentes regiões do material sem interrompê-lo significativamente.”
Como os Altermagnetes são diferentes?
A ideia de altermagnetismo surgiu em 2019, quando pesquisadores em Mainz encontraram um comportamento que não poderia ser explicado nem por ferromagnetos nem por antiferromagnetos.
Seus cálculos mostraram que o dióxido de rutênio não deveria ter uma magnetização total, semelhante a um antiferromagneto. Porém, sob a influência de uma corrente elétrica, ele se comportou mais como um ferromagneto.
Este resultado inesperado levou ao desenvolvimento do conceito alterímã.
Em ímãs convencionais, os átomos e seus spins de elétrons são geralmente organizados em padrões relativamente simples. Nos ferromagnetos, os spins dos elétrons adjacentes apontam na mesma direção, criando um campo magnético externo. Como esses spins podem ser trocados com relativa facilidade, os ferromagnetos são amplamente utilizados para armazenamento de informações.
Os antiferromagnetos funcionam de maneira diferente. Os spins adjacentes apontam em direções opostas, fazendo com que seus efeitos magnéticos se anulem. Embora este arranjo seja mais difícil de controlar, ele pode mudar de estado muito mais rapidamente, tornando os antiferromagnetos atraentes para futuras tecnologias de processamento de informação.
Os altermagnéticos ocupam um meio-termo dourado. Tal como acontece com os antiferromagnetos, seu magnetismo total é anulado. No entanto, o arranjo dos átomos no material faz com que os elétrons se comportem de maneira normalmente associada a um ferromagneto.
“Este arranjo permite que os alterímãs combinem o comportamento de comutação rápida dos antiferromagnetos com algumas das propriedades eletrônicas mais facilmente controladas dos ferromagnetos”, diz Marina.
Usando defeitos de diamante para detectar magnetismo latente
Pesquisadores em Mainz e em outros lugares já relataram evidências experimentais de altermagnetismo em diversos materiais. Estudos teóricos sugerem que a classe pode ser muito maior, com mais de 200 materiais que poderiam potencialmente ser qualificados como alternamagnéticos. Isso é mais que o dobro do número de materiais ferromagnéticos conhecidos.
Para ajudar a identificar esses candidatos, a equipe de Marino desenvolveu uma proposta de técnica de detecção quântica.
A abordagem baseia-se no diamante contendo um defeito magnético microscópico formado por um átomo de nitrogênio e um átomo de carbono vizinho ausente. Esses defeitos são excepcionalmente sensíveis à atividade magnética próxima.
Nos experimentos propostos, os pesquisadores irão girar o giro magnético do defeito em diferentes direções e medir a rapidez com que ele relaxa. Se o relaxamento for mais rápido em certas direções do que em outras, esse comportamento pode revelar os complexos mecanismos de spin previstos para os alterímãs.
Uma vantagem importante do método é que ele será menos destrutivo do que muitos métodos existentes usados para estudar materiais magnéticos.
“Você não quer que sua medição seja muito perturbada pelo material que você está estudando, porque pode ser mais difícil dizer se você está vendo o comportamento natural do material ou o comportamento induzido pelo experimento”, diz Marina.
Rumo a uma eletrônica mais rápida e eficiente
Marina ressalta que o sistema de sensoriamento atualmente existe apenas como uma proposta teórica. A equipe o desenvolveu usando modelos complexos que simulam a dinâmica quântica, mas a validação experimental ainda é necessária antes que os pesquisadores saibam se ele pode identificar alterímãs de maneira confiável.
“A identificação eficaz de materiais magnéticos alternados é um passo importante para sua real utilização na eletrônica”, afirma Marina. “Os alterímãs tornarão a transmissão de informações radicalmente mais eficiente. Isso poderá permitir que as tecnologias diminuam e consumam menos energia.”
Coautores adicionais incluem Hossein Hosseinabadi, PhD, um ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Marin que agora é um bolsista independente de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos na Alemanha, e VASV Bittancourt da Universidade de Estrasburgo/Instituto Max Planck de Ciência da Luz.
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Alemã de Pesquisa.
