Um novo cristal faz o magnetismo girar de maneiras surpreendentes

As descobertas, publicadas no Jornal da Sociedade Química Americanamostram que a mistura de dois materiais com composição química quase idêntica, mas com estruturas cristalinas muito diferentes, pode produzir uma estrutura inteiramente nova. Este inesperado cristal híbrido exibe propriedades magnéticas que não aparecem em nenhum dos materiais originais.

Como os giros atômicos criam magnetismo

O magnetismo começa na escala atômica. Em materiais magnéticos, cada átomo se comporta como uma pequena barra magnética devido a uma propriedade chamada spin atômico. O spin pode ser representado como uma pequena seta mostrando a direção do campo magnético de um átomo.

Quando muitos spins atômicos se alinham, apontando na mesma direção ou em direções opostas, eles geram as forças magnéticas familiares usadas em tecnologias cotidianas, como computadores e smartphones. Este tipo de alinhamento ordenado é típico dos ímãs convencionais.

A equipe da FSU demonstrou que seu novo material se comporta de maneira muito diferente. Em vez de se alinharem ordenadamente, os spins atômicos se organizam em padrões complexos e repetidos de redemoinhos. Esses arranjos, conhecidos como texturas de spin, influenciam fortemente a forma como um material responde aos campos magnéticos.

Criando redemoinhos magnéticos por meio de frustração estrutural

Para produzir esses efeitos incomuns, os pesquisadores combinaram intencionalmente dois compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente incompatíveis. Cada composto tem uma simetria cristalina diferente, o que significa que os átomos estão organizados de maneiras incompatíveis.

Quando estas estruturas se encontram, nenhum dos arranjos pode dominar totalmente. Esta instabilidade na fronteira cria o que os cientistas chamam de “frustração” estrutural, onde o sistema não consegue se estabelecer num padrão simples e estável.

“Pensamos que talvez esta frustração estrutural se traduzisse em frustração magnética”, disse o co-autor Michael Shatruk, professor do Departamento de Química e Bioquímica da FSU. “Se as estruturas estiverem em competição, talvez isso faça com que os spins se torçam. Vamos encontrar algumas estruturas que sejam quimicamente muito próximas, mas que tenham simetrias diferentes.”

A equipe testou essa ideia combinando um composto feito de manganês, cobalto e germânio com outro feito de manganês, cobalto e arsênico. O germânio e o arsênico ficam próximos um do outro na tabela periódica, tornando os compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente distintos.

Depois que a mistura esfriou e cristalizou, os pesquisadores examinaram o resultado e confirmaram a presença dos padrões magnéticos rodopiantes que pretendiam. Esses arranjos de spin cicloidal são conhecidos como texturas de spin semelhantes a skyrmion, que são o foco principal da pesquisa atual em física e química.

Para mapear detalhadamente a estrutura magnética, a equipe usou medições de difração de nêutrons de cristal único coletadas no instrumento TOPAZ na Spallation Neutron Source. Esta instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA está localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge.

Por que esses padrões magnéticos são importantes

Os materiais que hospedam texturas de spin semelhantes às do skyrmion têm várias vantagens tecnológicas promissoras. Um uso potencial é em discos rígidos de próxima geração que armazenam muito mais informações no mesmo espaço físico.

Skyrmions também podem ser movidos usando muito pouca energia, o que poderia reduzir significativamente a demanda de energia em dispositivos eletrônicos. Em sistemas de computação de grande escala com milhares de processadores, mesmo ganhos modestos de eficiência podem traduzir-se em grandes poupanças em eletricidade e refrigeração.

A pesquisa também pode ajudar a orientar o desenvolvimento de sistemas de computação quântica tolerantes a falhas. Esses sistemas são projetados para proteger informações quânticas delicadas e continuar operando de maneira confiável, apesar de erros e ruídos – o Santo Graal do processamento de informações quânticas.

“Com dados de difração de nêutrons de cristal único do TOPAZ e novas ferramentas de redução de dados e aprendizado de máquina do nosso projeto LDRD, podemos agora resolver estruturas magnéticas muito complexas com muito maior confiança”, disse Xiaoping Wang, um distinto cientista de dispersão de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Essa capacidade nos permite passar da simples localização de texturas de spin incomuns para projetá-las e otimizá-las intencionalmente para informações futuras e tecnologias quânticas.”

Projetando materiais em vez de procurá-los

Grande parte do trabalho anterior sobre skyrmions envolveu a pesquisa de materiais conhecidos e o teste deles um por um para ver se os padrões magnéticos desejados apareciam.

Este estudo adotou uma abordagem mais deliberada. Em vez de procurar exemplos existentes, os investigadores conceberam um novo material a partir do zero, usando a frustração estrutural como princípio orientador para criar um comportamento magnético específico.

“É pensamento químico, porque estamos pensando em como o equilíbrio entre essas estruturas as afeta e a relação entre elas, e então como isso pode se traduzir na relação entre os spins atômicos”, disse Shatruk.

Ao compreender as regras subjacentes que governam esses padrões, os cientistas poderão eventualmente prever onde as texturas de spin complexas se formarão antes de fabricar o material.

“A ideia é ser capaz de prever onde essas texturas complexas de spin aparecerão”, disse o co-autor Ian Campbell, estudante de pós-graduação no laboratório de Shatruk. “Tradicionalmente, os físicos procuram materiais conhecidos que já apresentam a simetria que procuram e medem as suas propriedades. Mas isso limita o leque de possibilidades. Estamos a tentar desenvolver uma capacidade preditiva para dizer: ‘Se somarmos estas duas coisas, formaremos um material completamente novo com estas propriedades desejadas.'”

Esta estratégia também poderia tornar as tecnologias futuras mais práticas, expandindo a gama de ingredientes utilizáveis. Essa flexibilidade pode permitir que os pesquisadores cultivem cristais com mais facilidade, reduzam custos e fortaleçam as cadeias de fornecimento de materiais magnéticos avançados.

Experiência de pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge

Campbell concluiu parte da pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge com o apoio de uma bolsa da FSU.

“Essa experiência foi fundamental para esta pesquisa”, disse ele. “Estar em Oak Ridge me permitiu construir conexões com os cientistas de lá e usar seus conhecimentos para ajudar com alguns dos problemas que tivemos que resolver para concluir este estudo.”

A Florida State University é membro patrocinador das Universidades Associadas de Oak Ridge desde 1951 e também é uma universidade parceira principal do laboratório nacional. Através desta parceria, membros do corpo docente da FSU, pesquisadores de pós-doutorado e estudantes de pós-graduação podem acessar as instalações do ORNL e colaborar com cientistas de laboratório.

Colaboração e Financiamento

Coautores adicionais do estudo incluem YiXu Wang, Zachary P. Tener, Judith K. Clark e Jacnel Graterol do Departamento de Química e Bioquímica da FSU; Andrei Rogalev e Fabrice Wilhelm do Centro Europeu de Radiação Síncrotron; Hu Zhang e Yi Long, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim; Richard Dronskowski da Universidade RWTH Aachen; e Xiaoping Wang do Laboratório Nacional de Oak Ridge.

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e realizada em instalações da Florida State University e do Oak Ridge National Laboratory.