Um clipe de papel de metal comum grudará em um ímã. Os cientistas classificam esses materiais contendo ferro como ferromagnetos. Há pouco mais de um século, os físicos Albert Einstein e Wander de Haas relataram um efeito surpreendente com um ferroímã. Se você suspender um cilindro de ferro em um fio e expô-lo a um campo magnético, ele começará a girar se você simplesmente inverter a direção do campo magnético.
“O experimento de Einstein e de Haas é quase como um show de mágica”, disse Haidan Wen, físico das divisões de Ciência de Materiais e Ciência de Raios-X dos EUA. Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia (DOE). “Você pode fazer um cilindro girar sem nunca tocá-lo.”
Na Nature, uma equipe de pesquisadores de Argonne e de outros Laboratórios dos Estados Unidos e universidades nacionais agora relatam um efeito análogo, mas diferente, em um “anti” ferromagneto. Isso pode ter aplicações importantes em dispositivos que exigem controle de movimento ultrapreciso e ultrarrápido. Um exemplo são os nanomotores de alta velocidade para aplicações biomédicas, como o uso em nanorobôs para diagnóstico e cirurgia minimamente invasivos.
A diferença entre um ferromagneto e antiferromagneto tem a ver com uma propriedade chamada spin do elétron. Esse giro tem uma direção. Os cientistas representam a direção com uma seta, que pode apontar para cima ou para baixo ou qualquer direção intermediária. No ferromagneto magnetizado mencionado acima, as setas associadas a todos os elétrons nos átomos de ferro podem apontar na mesma direção, digamos, para cima. Inverter o campo magnético inverte a direção dos spins do elétron. Então, todas as setas estão apontando para baixo. Essa reversão leva à rotação do cilindro.
“Neste experimento, uma propriedade microscópica, o spin do elétron, é explorada para provocar uma resposta mecânica em um cilindro, um objeto macroscópico”, disse Alfred Zong, um Miller Research Fellow da Universidade da Califórnia, Berkeley.
Nos antiferromagnetos, ao invés dos spins dos elétrons apontarem todos para cima, por exemplo, eles alternam de cima para baixo entre os elétrons adjacentes. Esses spins opostos cancelam-se mutuamente e, portanto, os antiferromagnetos não respondem a mudanças em um campo magnético como os ferromagnetos.
“A questão que nos perguntamos é: o spin do elétron pode provocar uma resposta em um antiferroímã que seja diferente, mas semelhante em espírito à rotação do cilindro no experimento de Einstein-de Hass?” Wen disse.
Para responder a essa pergunta, a equipe preparou uma amostra de trissulfeto de ferro e fósforo (FePS3), um antiferroímã. A amostra consistia em várias camadas de FePS3, com cada camada tendo apenas alguns átomos de espessura.
“Ao contrário de um ímã tradicional, o FePS3 é especial porque é formado em uma estrutura em camadas, na qual a interação entre as camadas é extremamente fraca”, disse Xiaodong Xu, professor de física e ciência de materiais da Universidade de Washington.
“Nós projetamos um conjunto de experimentos corroborativos nos quais disparamos pulsos de laser ultrarrápidos neste material em camadas e medimos as mudanças resultantes nas propriedades do material com pulsos ópticos, de raios-X e de elétrons”, acrescentou Wen.
A equipe descobriu que os pulsos alteram a propriedade magnética do material embaralhando a orientação ordenada dos spins dos elétrons. As setas para o spin do elétron não mais se alternam entre cima e para baixo de forma ordenada, mas desordenadas.
“Essa confusão no spin do elétron leva a uma resposta mecânica em toda a amostra. Como a interação entre as camadas é fraca, uma camada da amostra é capaz de deslizar para frente e para trás em relação a uma camada adjacente”, explicou Nuh Gedik, professor de Física no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
Esse movimento é ultrarrápido, de 10 a 100 picossegundos por oscilação. Um picossegundo é igual a um trilionésimo de segundo. Isso é tão rápido que, em um picossegundo, a luz viaja apenas um terço de milímetro.
Medições em amostras com resolução espacial na escala atômica e resolução temporal medida em picossegundos requerem instalações científicas de classe mundial. Para isso, a equipe contou com sondas ultrarrápidas de ponta que usam feixes de elétrons e raios-X para análises de estruturas atômicas.
Motivados por medições ópticas na Universidade de Washington, os estudos iniciais empregaram a instalação de difração de elétrons ultrarrápida de mega-elétron-volt no SLAC National Accelerator Laboratory. Estudos adicionais foram realizados em uma configuração de difração de elétrons ultrarrápida no MIT. Esses resultados foram complementados pelo trabalho na instalação de microscópio eletrônico ultrarrápido no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) e nas linhas de luz 11-BM e 7-ID na Fonte Avançada de Fótons (APS). Tanto o CNM quanto o APS são instalações para usuários do DOE Office of Science em Argonne.
O spin do elétron em um antiferromagneto em camadas também tem efeito em tempos mais longos do que picossegundos. Em um estudo anterior usando as instalações APS e CNM, os membros da equipe observaram que os movimentos flutuantes das camadas desaceleraram drasticamente perto da transição do comportamento desordenado para o ordenado para os spins dos elétrons.
“A descoberta fundamental em nossa pesquisa atual foi encontrar uma ligação entre o spin do elétron e o movimento atômico que é especial para a estrutura em camadas deste antiferroímã”, disse Zong. “E como esse link se manifesta em escalas de tempo tão curtas e de comprimento minúsculo, prevemos que a capacidade de controlar esse movimento alterando o campo magnético ou, alternativamente, aplicando uma pequena tensão terá implicações importantes para dispositivos em nanoescala”.
Publicado em 09/08/2023 01h41
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