Um flash de luz laser vira um ímã em um grande avanço no controle da luz

Os ferromagnetos funcionam porque um grande número de pequenos momentos magnéticos dentro de um material se movem em uníssono. Cada elétron possui uma propriedade chamada spin que produz um campo magnético muito pequeno. Quando muitos desses giros se alinham na mesma direção, seu efeito combinado cria um ímã forte e estável, como o de uma bússola ou da porta de uma geladeira.

Este alinhamento só ocorre quando as interações entre os spins são fortes o suficiente para superar o movimento térmico aleatório. Abaixo de uma temperatura crítica específica, essas interações coordenadas dominam e o material torna-se ferromagnético.

Normalmente, inverter a polaridade de um ímã requer aquecê-lo acima dessa temperatura crítica. Em temperaturas mais altas, o alinhamento ordenado é interrompido, permitindo que os spins se reorganizem. Assim que o material esfria novamente, os spins assumem uma nova orientação coletiva e o ímã aponta em uma direção diferente.

Troca de laser sem calor

A equipe liderada pelo Prof. Tomasz Smoleński da Universidade de Basileia e pelo Prof. Ataç Imamoğlu da ETH Zurique conseguiu essa reorientação usando apenas luz, sem aumentar a temperatura. Suas descobertas foram publicadas na revista Nature.

“O que é interessante em nosso trabalho é que combinamos os três grandes tópicos da física moderna da matéria condensada em um único experimento: fortes interações entre os elétrons, topologia e controle dinâmico”, diz Imamoğlu.

Para conseguir isso, os pesquisadores trabalharam com um material cuidadosamente projetado feito de duas camadas atomicamente finas do semicondutor orgânico ditelureto de molibdênio. As camadas são empilhadas com uma leve torção entre elas, detalhe que dá origem a um comportamento eletrônico incomum.

Estados topológicos e materiais quânticos torcidos

Nesta estrutura distorcida, os elétrons podem se organizar no que é conhecido como estados topológicos. Esses estados podem ser entendidos por meio de uma analogia simples. Uma bola não tem buraco, enquanto uma rosquinha tem um. Não importa o quanto você remodele uma bola, você não pode transformá-la em uma rosquinha sem cortá-la ou rasgá-la. Da mesma forma, os estados topológicos são fundamentalmente distintos e não podem ser facilmente transformados uns nos outros.

Nas experiências supervisionadas por Smoleński e Imamoğlu, os investigadores conseguiram sintonizar os eletrões entre estados topológicos que se comportam como isolantes e aqueles que conduzem eletricidade como metais. Em ambos os casos, as interações entre os elétrons fizeram com que seus spins se alinhassem em paralelo, produzindo um estado ferromagnético.

“Nosso principal resultado é que podemos usar um pulso de laser para alterar a orientação coletiva dos spins”, diz Olivier Huber, estudante de doutorado na ETH que realizou as medições com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Embora trabalhos anteriores tenham mostrado que os spins de elétrons individuais poderiam ser manipulados com luz, este estudo demonstra a mudança da polaridade de um ferromagneto inteiro de uma só vez. “Essa comutação foi permanente e, além disso, a topologia influencia a dinâmica da comutação”, diz Smoleński.

Controle Dinâmico de Estados Magnéticos

O laser faz mais do que simplesmente virar o ímã. Também pode definir novos limites internos dentro do material microscópico, criando regiões onde existe o estado ferromagnético topológico. Como esse processo pode ser repetido, os pesquisadores podem controlar dinamicamente as propriedades magnéticas e topológicas do sistema.

Para confirmar que o minúsculo ferromagneto, que mede apenas alguns micrómetros de diâmetro, tinha realmente invertido a sua polaridade, a equipa direcionou-lhe um segundo feixe de laser mais fraco. Ao analisar a luz refletida, eles puderam determinar a orientação dos spins dos elétrons.

“No futuro, seremos capazes de usar nosso método para escrever opticamente circuitos topológicos arbitrários e adaptáveis ​​em um chip”, diz Smoleński. Tais circuitos poderiam incluir interferômetros em miniatura capazes de detectar campos eletromagnéticos extremamente pequenos, abrindo novas possibilidades para tecnologias de detecção de precisão.