Engenheiros fazem ímãs se comportarem como grafeno

Em um estudo publicado em Revisão Física Xpesquisadores da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana Champaign demonstraram como sistemas magnéticos bidimensionais especialmente projetados podem seguir as mesmas equações que descrevem os elétrons móveis no grafeno. Esta conexão matemática poderia influenciar o projeto de dispositivos de radiofrequência e também fornecer aos pesquisadores uma nova e poderosa maneira de analisar e projetar esses materiais.

“Não é nada óbvio que exista uma analogia entre a eletrónica 2D e os comportamentos magnéticos 2D, e ainda estamos surpreendidos com o quão bem esta analogia funciona”, disse Bobby Kaman, principal autor do estudo. “A eletrônica 2D está muito bem estudada graças à descoberta do grafeno, e agora mostramos que uma classe de materiais não tão bem estudada obedece à mesma física fundamental.”

Inspiração em metamateriais e grafeno

O conceito surgiu do trabalho de Kaman com metamateriais. Esses materiais são projetados para que sua estrutura em maior escala produza comportamentos que normalmente não ocorreriam no arranjo atômico natural do material.

Kaman, estudante de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais que trabalha no grupo de pesquisa do professor Axel Hoffmann, percebeu que tanto os elétrons do grafeno quanto as excitações magnéticas microscópicas nos chamados materiais magnônicos se comportam como ondas. Essa semelhança levantou uma possibilidade intrigante. Talvez um sistema magnético pudesse ser projetado para se comportar matematicamente como o grafeno.

“O grafeno é único porque seus elétrons de condução se organizam em ondas sem massa, então fiquei curioso para saber se alterar a geometria física de um material magnônico para se parecer com o grafeno o faria agir como o grafeno”, disse Kaman. “Achei que talvez tivesse algumas propriedades semelhantes às do grafeno, mas a analogia era muito mais profunda e rica do que eu esperava.”

Projetando um sistema magnético que imita o grafeno

Para explorar a ideia, os pesquisadores modelaram um filme magnético fino contendo pequenos orifícios dispostos em um padrão hexagonal. Dentro desta estrutura, momentos magnéticos microscópicos, conhecidos como “spins”, interagem e produzem perturbações progressivas chamadas ondas de spin.

Quando a equipe calculou as energias dessas ondas de spin, descobriu que seu comportamento matemático correspondia estreitamente ao dos elétrons que se movem através do grafeno.

O sistema acabou sendo ainda mais complexo do que o esperado. Em vez de uma simples analogia individual, os pesquisadores identificaram nove faixas de energia distintas. Essas bandas permitem que vários tipos de comportamentos apareçam ao mesmo tempo. Entre eles estão ondas de spin sem massa semelhantes às ondas de elétrons do grafeno, bem como bandas de baixa dispersão associadas a estados localizados e até mesmo efeitos topológicos que abrangem múltiplas bandas.

“O que torna o trabalho de Bobby notável é que ele faz uma conexão direta entre um sistema de spin projetado e um modelo físico fundamental”, disse Hoffmann. “Os cristais magnônicos são notórios por produzirem uma enorme variedade de fenômenos dependentes de estrutura e geometria, muitos dos quais são catalogados sem serem realmente compreendidos. A analogia do grafeno neste sistema fornece uma explicação clara para os comportamentos observados.”

Potencial para dispositivos de micro-ondas menores

Além de sua importância para a física básica, a pesquisa poderia ter aplicações práticas. A equipe acredita que o sistema pode ser útil na tecnologia de microondas usada em comunicações celulares e sem fio.

“Um desses dispositivos é um ‘circulador de microondas’ que só permite que sinais de rádio de microondas se propaguem em uma direção”, explicou Hoffmann. “Eles geralmente são volumosos, mas o sistema magnônico que estudamos poderia permitir que dispositivos de micro-ondas fossem miniaturizados em escala micrométrica.”

O grupo de pesquisa de Hoffmann já registrou um pedido de patente cobrindo seus conceitos de dispositivos de micro-ondas.

Jinho Lim e Yingkai Liu também contribuíram para a pesquisa.

O apoio para o trabalho foi fornecido pelo Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais de Illinois, por meio da National Science Foundation.

Axel Hoffmann é professor de ciência e engenharia de materiais da Illinois Grainger Engineering no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Ele também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e é nomeado Professor Fundador.