Os físicos do MIT descobriram um estado “multiferróico” exótico em um material tão fino quanto uma única camada de átomos. Sua observação é a primeira a confirmar que as propriedades multiferróicas podem existir em um material perfeitamente bidimensional. As descobertas, publicadas na Nature, abrem caminho para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de dados menores, mais rápidos e mais eficientes, construídos com bits multiferróicos ultrafinos, bem como outras novas estruturas em nanoescala.
“Materiais bidimensionais são como LEGOs – você coloca um em cima do outro para fazer algo diferente de cada peça sozinha”, diz o autor do estudo Nuh Gedik, professor de física do MIT. “Agora temos uma nova peça LEGO: uma multiferroica monocamada, que pode ser empilhada com outros materiais para induzir propriedades interessantes.”
Além de Gedik, os autores do estudo no MIT incluem o autor principal Qian Song, Connor Occhialini, Emre Egeçen, Batyr Ilyas e Riccardo Comin, a classe de 1947 Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira de Física, juntamente com colaboradores na Itália e no Japão e no Arizona Universidade Estadual.
Curiosamente acoplado
Na ciência dos materiais, “ferroico” refere-se à troca coletiva de qualquer propriedade nos elétrons de um material, como a orientação de sua carga ou rotação magnética, por um campo externo. Os materiais podem incorporar um dos vários estados ferroicos. Por exemplo, ferromagnetos são materiais nos quais os spins dos elétrons se alinham coletivamente na direção de um campo magnético, como flores girando com o sol. Da mesma forma, os ferroelétricos são compostos de cargas de elétrons que se alinham automaticamente com um campo elétrico.
Na maioria dos casos, os materiais são ferroelétricos ou ferromagnéticos. Raramente eles incorporam os dois estados ao mesmo tempo.
“Essa combinação é muito rara”, diz Comin. “Mesmo se pegarmos toda a tabela periódica e não colocarmos limites na combinação de elementos, não há muitos desses materiais multiferróicos que podem ser produzidos.”
Mas nos últimos anos, os cientistas sintetizaram materiais em laboratório que exibem propriedades multiferróicas, comportando-se tanto como ferroelétricos quanto ferromagnetos, de maneira curiosamente acoplada. Por exemplo, os spins magnéticos dos elétrons podem ser trocados não apenas por um campo magnético, mas também por um campo elétrico.
Esse estado multiferróico acoplado é particularmente empolgante por seu potencial para avançar em dispositivos magnéticos de armazenamento de dados. Nos discos rígidos magnéticos convencionais, os dados são gravados em um disco de rotação rápida padronizado com pequenos domínios de material magnético. Uma pequena ponta suspensa sobre o disco gera um campo magnético que pode alternar coletivamente os giros de elétrons de um domínio em uma direção ou outra para representar um “0” ou um “1” – os “bits” básicos que codificam os dados.
O campo magnético da ponta é tipicamente produzido por uma corrente elétrica, que requer energia significativa, parte da qual pode ser perdida na forma de calor. Além de superaquecer um disco rígido, as correntes elétricas têm um limite para a rapidez com que podem gerar um campo magnético e alternar bits magnéticos. Físicos como Comin e Gedik acreditam que, se esses bits magnéticos pudessem ser feitos de um material multiferróico, eles poderiam ser trocados usando campos elétricos mais rápidos e com maior eficiência energética, em vez de campos magnéticos induzidos por corrente.
“Se usando campos elétricos, o processo de escrita de bits seria muito mais rápido porque os campos podem ser criados em um circuito dentro de uma fração de nanossegundo – potencialmente centenas de vezes mais rápido do que com corrente elétrica”, diz Comin.
Um grande obstáculo para a integração de dispositivos tem sido o tamanho. Até agora, os físicos só observaram propriedades multiferróicas em amostras relativamente grandes de materiais tridimensionais, grandes demais para trabalhar em bits de memória em nanoescala. Ninguém foi capaz de sintetizar um material multiferróico perfeitamente bidimensional.
“Todos os exemplos conhecidos de multiferróicos estão em 3D, e havia uma questão fundamental: esses estados podem existir em 2D, em uma única folha atômica?” Comin diz.
Flocos ferroicos
Para responder a isso, a equipe procurou o iodeto de níquel (NiI2), um material sintético que é conhecido por ser multiferróico em forma a granel.
“No nosso caso, foi um desafio duplo, tentar transformar o iodeto de níquel em uma forma 2D e medi-lo para ver se ele mantinha propriedades multiferróicas”, diz Comin.
Enquanto outros materiais bidimensionais, como o grafeno, podem ser feitos simplesmente esfoliando as camadas de versões a granel, como grafite, o iodeto de níquel é mais delicado. A equipe precisava de uma nova maneira de sintetizar o material em forma 2D. A equipe, liderada por Song, emprestou uma técnica conhecida como crescimento epitaxial, na qual finas folhas atômicas de material são “cultivadas” em outro material base. No caso deles, Song e seus colegas usaram nitreto de boro hexagonal como base a granel, que eles colocaram em um forno. Sobre esse material, eles fluíram pós de níquel e iodeto, que se depositaram no nitreto de boro em flocos perfeitos e finos de iodeto de níquel.
Para testar as propriedades multiferróicas de cada floco, Gedik e Comin empregaram técnicas ópticas desenvolvidas em seus respectivos laboratórios para sondar a resposta magnética e elétrica do material.
“O comprimento de onda da luz que usamos é de cerca de meio mícron, então podemos ampliar uma pequena região desse floco e estudar suas propriedades com grande precisão”, explica Comin.
Os pesquisadores resfriaram progressivamente os flocos 2D a temperaturas tão baixas quanto 20 kelvins, onde o material foi observado anteriormente para exibir propriedades multiferróicas na forma 3D. Eles então realizaram testes ópticos separados para sondar primeiro as propriedades magnéticas e elétricas do material. Por volta de 20 K, o material foi encontrado tanto ferromagnético quanto ferroelétrico.
Os experimentos da equipe confirmam que o iodeto de níquel é multiferróico em sua forma bidimensional. Além disso, o estudo é o primeiro a demonstrar que a ordem multiferróica pode existir em duas dimensões – as dimensões ideais para a construção de bits de memória multiferróica em nanoescala.
“Agora temos um material multiferróico em 2D. Antes, não sabíamos com o que trabalhar se quiséssemos fazer um dispositivo multiferróico em nanoescala. Agora sabemos. E estamos começando a fabricar esses dispositivos em nosso laboratório agora”, Comin diz. “Queremos usar campos elétricos para controlar o magnetismo, para ver o quão rápido podemos trocar bits multiferróicos e como podemos miniaturizar esses dispositivos. Esse é o roteiro, e agora estamos muito mais próximos.”
Publicado em 28/02/2022 06h44
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