Cientistas da Florida State University desenvolveram um novo tipo de material cristalino que apresenta um comportamento magnético raro e intrincado. A descoberta pode abrir novos caminhos para tecnologias avançadas de armazenamento de dados e futuros dispositivos quânticos.
Os achados, publicados no Journal of the American Chemical Society, mostram que a combinação de dois materiais com composição química quase idêntica, mas estruturas cristalinas muito diferentes, pode produzir uma nova estrutura. Este cristal híbrido inesperado exibe propriedades magnéticas que não aparecem em nenhum dos materiais originais.
Como os Spins Atômicos Criam Magnetismo
O magnetismo começa na escala atômica. Em materiais magnéticos, cada átomo se comporta como um pequeno ímã devido a uma propriedade chamada spin atômico. O spin pode ser visualizado como uma pequena seta que indica a direção do campo magnético de um átomo.
Quando muitos spins atômicos se alinham, apontando todos na mesma direção ou em direções opostas, eles geram as forças magnéticas familiares usadas em tecnologias do dia a dia, como computadores e smartphones. Esse tipo de alinhamento ordenado é típico de ímãs convencionais.
A equipe da FSU demonstrou que seu novo material se comporta de maneira muito diferente. Em vez de se alinhar de maneira ordenada, os spins atômicos se organizam em padrões complexos e repetidos de redemoinho. Esses arranjos, conhecidos como texturas de spin, influenciam fortemente como um material reage a campos magnéticos.
Criando Redemoinhos Magnéticos Através da Frustração Estrutural
Para produzir esses efeitos incomuns, os pesquisadores combinaram intencionalmente dois compostos que são quimicamente semelhantes, mas estruturalmente incompatíveis. Cada composto possui uma simetria cristalina diferente, significando que os átomos estão dispostos de maneiras incompatíveis.
Quando essas estruturas se encontram, nenhum dos arranjos pode dominar totalmente. Essa instabilidade na fronteira cria o que os cientistas chamam de “frustração” estrutural, onde o sistema não consegue se estabelecer em um padrão simples e estável.
“Nós pensamos que talvez essa frustração estrutural se traduzisse em frustração magnética,” disse o coautor Michael Shatruk, professor do Departamento de Química e Bioquímica da FSU. “Se as estruturas estão em competição, talvez isso faça com que os spins se torçam. Vamos encontrar algumas estruturas que são quimicamente muito próximas, mas têm simetrias diferentes.”
A equipe testou essa ideia combinando um composto feito de manganês, cobalto e germanium com outro composto feito de manganês, cobalto e arsênio. O germanium e o arsênio estão próximos um do outro na tabela periódica, tornando os compostos quimicamente semelhantes, mas estruturalmente distintos.
Após o resfriamento e cristalização da mistura, os pesquisadores examinaram o resultado e confirmaram a presença dos padrões magnéticos em redemoinho que estavam buscando. Esses arranjos de spin cicloidais são conhecidos como texturas de spin semelhantes a skyrmions, que são um foco importante da pesquisa atual em física e química.
Para mapear a estrutura magnética em detalhes, a equipe utilizou medições de difração de nêutrons de cristal único coletadas no instrumento TOPAZ no Spallation Neutron Source. Essa instalação do Departamento de Energia dos EUA está localizada no Oak Ridge National Laboratory.
Por que Esses Padrões Magnéticos são Importantes
Materiais que hospedam texturas de spin semelhantes a skyrmions têm várias vantagens tecnológicas promissoras. Um uso potencial é em discos rígidos de próxima geração que armazenam muito mais informações no mesmo espaço físico.
Os skyrmions também podem ser movidos usando muito pouca energia, o que pode reduzir significativamente a demanda de energia em dispositivos eletrônicos. Em sistemas de computação em grande escala com milhares de processadores, até mesmo ganhos modestos de eficiência podem traduzir-se em grandes economias em eletricidade e resfriamento.
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 ruído — 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, agora podemos resolver estruturas magnéticas complexas com muito mais confiança,” disse Xiaoping Wang, um cientista distinto em dispersão de nêutrons no Oak Ridge National Laboratory. “Essa capacidade nos permite passar de simplesmente encontrar texturas de spin incomuns para projetá-las e otimizá-las intencionalmente para tecnologias futuras de informação e quânticas.”
Projetando Materiais em vez de Procurá-los
Grande parte do trabalho anterior sobre skyrmions envolvia a busca em materiais conhecidos e o teste, um por um, para ver se os padrões magnéticos desejados apareciam.
Este estudo adotou uma abordagem mais deliberada. Em vez de caçar exemplos existentes, os pesquisadores projetaram um novo material do zero, usando a frustração estrutural como princípio orientador para criar um comportamento magnético específico.
“É um pensamento químico, porque estamos pensando sobre como o equilíbrio entre essas estruturas as afeta e a relação entre elas, e então como isso pode se traduzir na relação entre spins atômicos,” disse Shatruk.
Compreendendo as regras subjacentes que governam esses padrões, os cientistas podem eventualmente prever onde texturas de spin complexas se formarão antes de fabricar o material.
“A ideia é ser capaz de prever onde essas texturas de spin complexas aparecerão,” disse o coautor Ian Campbell, um estudante de pós-graduação no laboratório de Shatruk. “Tradicionalmente, físicos buscam materiais conhecidos que já exibem a simetria que estão procurando e medem suas propriedades. Mas isso limita a gama de possibilidades. Estamos tentando desenvolver uma capacidade preditiva que diga: ‘Se combinarmos essas duas coisas, formaremos um novo material com essas propriedades desejadas.’
Essa estratégia também pode 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 cadeias de suprimentos para materiais magnéticos avançados.
Experiência de Pesquisa no Oak Ridge National Laboratory
Campbell completou parte da pesquisa no Oak Ridge National Laboratory enquanto era apoiado por uma bolsa da FSU.
“Essa experiência foi fundamental para esta pesquisa,” disse ele. “Estar em Oak Ridge me permitiu estabelecer conexões com os cientistas de lá e usar sua expertise para ajudar a resolver alguns dos problemas que tivemos que enfrentar para completar este estudo.”
A Florida State University é membro patrocinador da Oak Ridge Associated Universities desde 1951 e também é um parceiro universitário central do laboratório nacional. Através dessa parceria, membros do corpo docente da FSU, pesquisadores de pós-doutorado e estudantes de pós-graduação podem acessar as instalações da ORNL e colaborar com os cientistas do 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 da European Synchrotron Radiation Facility; Hu Zhang e Yi Long da University of Science and Technology Beijing; Richard Dronskowski da RWTH Aachen University; e Xiaoping Wang do Oak Ridge National Laboratory.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e realizada utilizando instalações na Florida State University e no Oak Ridge National Laboratory.
