Pesquisadores da Universidade de Basel e do ETH Zurich demonstraram uma maneira de reverter a polaridade de um ferromagneto especializado usando um feixe de laser focalizado. Este avanço aponta para um futuro em que a luz poderia ser utilizada para projetar e reconfigurar circuitos eletrônicos diretamente em um chip.
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 spins se alinham na mesma direção, seu efeito combinado cria um ímã forte e estável, como o que se encontra em uma bússola ou na porta da geladeira.
Esse alinhamento ocorre apenas quando as interações entre os spins são suficientemente fortes para superar o movimento térmico aleatório. Abaixo de uma temperatura crítica específica, essas interações coordenadas dominam e o material se torna ferromagnético.
Geralmente, inverter a polaridade de um ímã requer aquecê-lo acima dessa temperatura crítica. Em temperaturas mais altas, o alinhamento ordenado se quebra, permitindo que os spins se rearranjem. Assim que o material esfria novamente, os spins se acomodam em uma nova orientação coletiva, e o ímã aponta em uma direção diferente.
Comutação a Laser Sem Calor
A equipe liderada pelo Prof. Dr. Tomasz Smoleński da Universidade de Basel e pelo Prof. Dr. Ataç Imamoğlu do ETH Zurich alcançou essa reorientação usando apenas luz, sem elevar a temperatura. Seus achados foram publicados na revista Nature.
“O que é empolgante em nosso trabalho é que combinamos os três grandes tópicos na física da matéria condensada moderna em um único experimento: fortes interações entre os elétrons, topologia e controle dinâmico,” diz Imamoğlu.
Para realizar isso, os pesquisadores trabalharam com um material cuidadosamente projetado, composto por duas camadas atômicas finas do semicondutor orgânico dissulfeto de molibdênio. As camadas são empilhadas com uma leve torção entre elas, um detalhe que dá origem a um comportamento eletrônico incomum.
Estados Topológicos e Materiais Quânticos Torcidos
Nesta estrutura torcida, os elétrons podem se organizar em estados topológicos. Estes estados podem ser compreendidos usando uma analogia simples. Uma bola não possui buraco, enquanto um donut tem um. Não importa o quanto você molde uma bola, você não pode transformá-la em um donut sem cortá-la ou rasgá-la. Da mesma forma, os estados topológicos são fundamentalmente distintos e não podem ser transformados suavemente uns nos outros.
Nos experimentos supervisionados por Smoleński e Imamoğlu, os pesquisadores foram capazes de ajustar os elétrons 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 mudar a orientação coletiva dos spins,” diz Olivier Huber, um doutorando do ETH que realizou as medições com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Embora trabalhos anteriores tenham mostrado que spins individuais de elétrons poderiam ser manipulados com luz, este estudo demonstra a comutação 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 não apenas inverte o ímã. Ele também pode definir novas fronteiras internas dentro do material microscópico, criando regiões onde o estado ferromagnético topológico existe. Como esse processo pode ser repetido, os pesquisadores conseguem controlar dinamicamente tanto as propriedades magnéticas quanto as topológicas do sistema.
Para confirmar que o pequeno ferromagneto, que mede apenas alguns micrômetros, havia realmente revertido sua polaridade, a equipe iluminou-o com um segundo feixe de laser, mais fraco. Ao analisar a luz refletida, eles puderam determinar a orientação dos spins dos elétrons.
“No futuro, poderemos usar nosso método para escrever circuitos topológicos arbitrários e adaptáveis em um chip,” diz Smoleński. Esses circuitos poderiam incluir interferômetros miniaturizados capazes de detectar campos eletromagnéticos extremamente pequenos, abrindo novas possibilidades para tecnologias de sensores de precisão.