Cientistas detetam altermagnetismo num material em camadas

Ao contrário do que sugere uma conhecida empresa de donuts, é o magnetismo que realmente faz o mundo funcionar.

É indispensável para produzir energia, construir veículos elétricos e alimentar tecnologias médicas que salvam vidas, como corações de titânio com rotores em levitação, dignos de um cenário de ficção científica.

Ferromagnetismo e antiferromagnetismo

O magnetismo apresenta-se sob várias formas, mas duas são particularmente fáceis de reconhecer.

No ferromagnetismo, os momentos magnéticos - pequenos campos - das partículas que constituem um material alinham-se numa determinada direção, criando um campo magnético maior. É a disposição clássica dos polos norte e sul de um íman de frigorífico. Este processo gera, porém, campos dispersos que podem interferir com circuitos integrados e outros componentes eletrónicos.

No antiferromagnetismo, os momentos magnéticos apontam em direções opostas e anulam-se, pelo que não existe um polo norte ou sul global. Isto elimina os campos dispersos, mas também as propriedades de atração que podem tornar um material útil, tanto em sentido literal como figurado.

Se fosse possível juntar o melhor dos dois fenómenos num material versátil e fino, este poderia tornar-se importante num mundo de tecnologias eletromagnéticas cada vez mais pequenas.

Surpreendentemente, cientistas anunciaram ter conseguido precisamente isso: obtiveram as primeiras provas experimentais de altermagnetismo, um tipo de magnetismo confirmado recentemente, num material semelhante a uma sanduíche e com numerosas aplicações futuras.

Altermagnetismo num material em camadas

Num artigo publicado na revista Nature Communications, uma equipa de físicos descreve a criação de cristais de um material chamado Co₁/₄TaSe₂. A designação pode parecer muito complexa, mas representa apenas três elementos e as respetivas proporções: cobalto, tântalo e selénio.

Para os combinar de uma forma útil para experiências, foi necessário «cozê-los» durante duas semanas a mais de 900 °C.

“Estes materiais distinguem-se dos antiferromagnetos mais convencionais pela capacidade de gerar e detetar correntes de spin sem o efeito negativo da produção de campos dispersos”, explica Madhab Neupane, professor de Física na Universidade da Flórida Central (UCF) e autor correspondente do estudo.

“Esta nova propriedade coloca-os numa posição muito favorável para utilização em muitas aplicações diferentes, incluindo a spintrónica, dispositivos de memória ultrarrápidos, redes de terahertz e eletrónica energeticamente eficiente.”

O Co₁/₄TaSe₂, que não é um material novo para a ciência, é formado por camadas compostas pelo metal tântalo e pelo não metal selénio.

Entre essas camadas, os investigadores espalharam átomos de cobalto, um metal magnético, criando estruturalmente uma espécie de trepa-trepa quântico capaz de alterar os eletrões à medida que o atravessam.

Para confirmar a presença de altermagnetismo, a equipa recorreu a um método de modelação quântica e à espectroscopia de fotoemissão com resolução angular (ARPES).

Esta última técnica consiste, basicamente, em fazer incidir um feixe de luz sobre um material, levando-o a libertar um eletrão. Os cientistas podem assim determinar a energia e a direção desse eletrão.

Deste modo, revelaram a estrutura de bandas de energia do material: um mapa dos locais onde os seus eletrões podem e não podem existir.

A equipa reparou que essa estrutura estava dividida e que os estados resultantes apresentavam polarizações de spin opostas. Estas polarizações indicam como o spin de uma partícula elementar está alinhado numa determinada direção; convenientemente, as partículas só podem ter spin “para cima” ou “para baixo”.

Claro que os eletrões não rodam realmente como a Terra em torno do seu eixo, nem como uma sanduíche de sete camadas equilibrada na pata de Scooby-Doo antes de ser devorada. Trata-se antes de uma forma de momento angular definido matematicamente.

É, contudo, uma propriedade quântica essencial e, mais importante ainda, os investigadores demonstraram que o Co₁/₄TaSe₂ separa os eletrões de acordo com o seu spin.

O spin e as possíveis aplicações do altermagnetismo

Esta descoberta é importante no contexto dos dois tipos de magnetismo referidos anteriormente.

O ferromagnetismo separa bem os spins porque os seus momentos magnéticos apontam na mesma direção, mas produz campos dispersos.

Já o antiferromagnetismo não produz campos dispersos, embora não seja eficaz a separar spins, uma vez que os seus momentos magnéticos apontam em direções opostas.

Esta combinação de características pode fazer do material, facilmente ajustável, um excelente meio para investigar os mistérios do magnetismo:

“A existência de provas de altermagnetismo numa plataforma de materiais versátil abre muitas possibilidades novas”, afirma Milo Sprague, físico quântico experimental na UCF e primeiro autor do estudo.

“Atualmente, há muito debate na teoria do altermagnetismo sobre a forma como os estados eletrónicos polarizados em spin interagem com outros fenómenos magnéticos. Agora temos um material que podemos modificar facilmente para explorar estas novas questões”, acrescenta Sprague.

As origens do altermagnetismo, por exemplo, são aparentemente conhecidas. É necessária mais investigação para perceber como este fenómeno se sobrepõe a outras formas de magnetismo, enquanto as interações entre eletrões competem entre si.

Por fim, em termos práticos, os equipamentos atuais podem transportar fisicamente eletrões para processar dados. A emergente spintrónica, por sua vez, poderá manipular dados através da transferência dos estados de spin dos eletrões numa «corrente» - à semelhança de uma onda nas bancadas de um estádio de futebol - para aumentar o armazenamento de dados e reduzir as hipóteses de espionagem.

Graças à versatilidade e à pequena escala destes materiais em camadas descritos recentemente, o nosso destino tecnológico poderá ser minúsculo e ter a forma de uma sanduíche.

Mas porque não? Até hoje, as sanduíches nunca nos desiludiram.

Como explica Neupane, “se esta abordagem se revelar viável, os altermagnetos em camadas estarão na vanguarda do desenvolvimento da eletrónica”.

A investigação foi publicada na revista Nature Communications.

Este artigo teve a verificação de factos e a edição de Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.