Os materiais podem se comportar de maneiras surpreendentes quando são afinados camada por camada até atingirem apenas um único átomo de espessura. Em um novo estudo publicado na Nature Materials, físicos 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 magnetismo bidimensional que perdura desde a década de 1970. A equipe afirma que a descoberta pode, eventualmente, ajudar a inspirar tecnologias extremamente compactas que dependem do controle do magnetismo em escalas muito pequenas.
A nova sequência observada envolve duas mudanças importantes no comportamento magnético que ocorrem à medida que determinados materiais são resfriados em direção ao zero absoluto. Enquanto os cientistas já haviam 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 Ultrafin
Para investigar esses efeitos, os pesquisadores resfriaram uma camada atômica de trisulfeto de níquel e fósforo (NiPS3) a temperaturas entre -150 e -130 °C. Nesse intervalo, o material entrou em um estado magnético especial conhecido como fase de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT).
Nessa fase, as direções magnéticas dos átomos individuais, chamadas momentos magnéticos, se organizam em estruturas em espiral 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 fortemente vinculado.
A fase BKT leva seu nome do físico Vadim Berezinskii e dos ganhadores do Prêmio Nobel J. Michael Kosterlitz e David Thouless, que receberam o Prêmio Nobel de Física em 2016 por seu trabalho teórico descrevendo esse tipo de transição de fase.
“A fase BKT é particularmente intrigante porque esses vórtices são preditos como 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 abordagem para controlar o magnetismo em escala nanométrica e proporcionam insights sobre a física topológica universal em sistemas bidimensionais.”
Dos Vórtices Magnéticos para uma Fase Ordenada
Quando a temperatura caiu ainda mais, o material mudou para um segundo estado magnético conhecido como fase ordenada em seis estados. Nessa configuração, os momentos magnéticos se alinham em uma das seis direções possíveis relacionadas por simetria.
A observação tanto da fase BKT quanto da fase ordenada em temperaturas mais baixas confirma a realização experimental do modelo de relógio de seis estados bidimensional. Essa estrutura teórica, introduzida na década de 1970, prevê a sequência precisa de fases magnéticas observadas no experimento.
“Neste estágio, nosso trabalho demonstra a sequência completa de fases esperadas para o modelo de relógio de seis estados bidimensional e estabelece as condições sob as quais vórtices magnéticos em escala nanométrica emergem naturalmente em um magneto puramente bidimensional”, disse Baldini.
Rumo a Tecnologias Magnéticas em Escala Nanométrica
Os pesquisadores agora planejam explorar como estabilizar fases magnéticas semelhantes a temperaturas progressivamente mais altas. Idealmente, esperam descobrir materiais que possam sustentar esses efeitos mais próximos da temperatura ambiente. Esta primeira demonstração fornece um ponto de partida crucial para esse esforço.
Os resultados também sugerem que muitos outros materiais magnéticos bidimensionais poderiam abrigar fases magnéticas desconhecidas anteriormente. Essa possibilidade pode levar a novas descobertas na física fundamental, bem como a futuros conceitos para dispositivos eletrônicos em escala nanométrica.
Equipe de Pesquisa e Financiamento
O projeto recebeu apoio principalmente da National Science Foundation (NSF) por meio do Centro de Dinâmica e Controle de Materiais da UT, um Centro de Pesquisa em Materiais da NSF. O grupo de Baldini também recebeu financiamento de Love, Tito’s; da Robert A. Welch Foundation; da W. M. Keck Foundation; da NSF por meio de um prêmio CAREER; do U.S. Air Force Office of Scientific Research por meio de um prêmio do Young Investigator Program; e do U.S. Army Research Office.
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 co-orienta. Os co-primeiros autores do estudo são Frank Y. Gao, um pós-doutorando em física na UT e futuro professor assistente de química na Universidade de Wisconsin-Madison, e Dong Seob Kim, um ex-aluno de doutorado em física na UT que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia. Contribuições adicionais vieram do Massachusetts Institute of Technology, da Academia Sinica e da Universidade de Utah.
