Físicos finalmente veem estranhos vórtices magnéticos previstos há 50 anos
Os materiais podem se comportar de maneiras surpreendentes quando são diluídos camada por camada até terem apenas um átomo de espessura. Em um novo estudo publicado em Materiais da Naturezafísicos liderados por pesquisadores da Universidade do Texas em Austin observaram uma sequência de estados magnéticos incomuns em um material ultrafino. Seus experimentos confirmam um modelo teórico de longa data de magnetismo bidimensional proposto pela primeira vez na década de 1970. A equipe diz que a descoberta poderá eventualmente ajudar a inspirar tecnologias extremamente compactas que dependem do controle do magnetismo em escalas muito pequenas.
A sequência recentemente observada envolve duas mudanças importantes no comportamento magnético que ocorrem à medida que certos materiais são resfriados em direção ao zero absoluto. Embora os cientistas já tenham detectado cada transição separadamente, este estudo é o primeiro a observar toda a sequência se desenrolando em um único sistema.
Vórtices magnéticos em um cristal ultrafino
Para investigar esses efeitos, os pesquisadores resfriaram uma folha atomicamente fina de trissulfeto de níquel e fósforo (NiPS3) a temperaturas entre -150 e -130 °C. Nessa faixa, o material entrou em um estado magnético especial conhecido como fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT).
Nesta fase, as direções magnéticas dos átomos individuais, chamadas momentos magnéticos, organizam-se em estruturas rodopiantes conhecidas como vórtices. Esses vórtices se formam em pares que giram em direções opostas, com um girando no sentido horário e o outro no sentido anti-horário. Cada par permanece intimamente ligado.
A fase BKT leva o nome do físico Vadim Berezinskii e dos vencedores do Prêmio Nobel J. Michael Kosterlitz e David Thouless, que receberam o Prêmio Nobel de Física de 2016 por seu trabalho teórico que descreve esse tipo de transição de fase.
“A fase BKT é particularmente intrigante porque se prevê que estes vórtices sejam excepcionalmente robustos e confinados a apenas alguns nanômetros lateralmente, enquanto ocupam apenas uma única camada atômica de espessura”, disse Edoardo Baldini, professor assistente de física na UT e líder da pesquisa. “Devido à sua estabilidade e tamanho extremamente pequeno, esses vórtices oferecem uma nova rota para controlar o magnetismo em nanoescala e fornecem informações sobre a física topológica universal em sistemas bidimensionais.”
Dos vórtices magnéticos a uma fase ordenada
Quando a temperatura caiu ainda mais, o material mudou para um segundo estado magnético conhecido como fase ordenada do relógio de seis estados. Nesta configuração, os momentos magnéticos se alinham em uma das seis direções possíveis relacionadas por simetria.
A observação da fase BKT e da fase ordenada de temperatura mais baixa confirma a realização experimental do modelo bidimensional do relógio de seis estados. Esta estrutura teórica, introduzida na década de 1970, prevê a sequência precisa das fases magnéticas observadas no experimento.
“Nesta fase, nosso trabalho demonstra a sequência completa de fases esperada para o modelo bidimensional do relógio de seis estados e estabelece as condições sob as quais vórtices magnéticos em nanoescala emergem naturalmente em um ímã puramente bidimensional”, disse Baldini.
Rumo às futuras tecnologias magnéticas em nanoescala
Os pesquisadores agora planejam explorar como estabilizar fases magnéticas semelhantes em temperaturas progressivamente mais altas. Idealmente, eles esperam descobrir materiais que possam sustentar estes efeitos mais próximos da temperatura ambiente. Esta primeira demonstração fornece um ponto de partida fundamental para esse esforço.
Os resultados também sugerem que muitos outros materiais magnéticos bidimensionais poderiam hospedar fases magnéticas anteriormente desconhecidas. Essa possibilidade poderia levar a novas descobertas na física fundamental, bem como a conceitos futuros para dispositivos eletrônicos em nanoescala.
Equipe de pesquisa e financiamento
O projeto recebeu apoio primário da National Science Foundation (NSF) por meio do Centro de Dinâmica e Controle de Materiais da UT, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da NSF. O grupo de Baldini também recebeu financiamento da Love, Tito’s; a Fundação Robert A. Welch; a Fundação WM Keck; a NSF através de um prêmio CAREER; o prêmio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA por meio de um Programa para Jovens Investigadores; e o Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA.
Os três autores seniores do estudo, Baldini, Allan MacDonald e Xiaoqin “Elaine” Li, são físicos da UT e membros do Texas Quantum Institute, que Li codirige. Os co-autores do estudo são Frank Y. Gao, pós-doutorado em física na UT e novo professor assistente de química na Universidade de Wisconsin-Madison, e Dong Seob Kim, ex-aluno de pós-graduação em física na UT que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia. Contribuidores adicionais vieram do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Academia Sinica e da Universidade de Utah.
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