Cientistas da Florida State University desenvolveram um novo tipo de material cristalino que exibe um comportamento magnético raro e complexo. A descoberta pode abrir novos caminhos para tecnologias avançadas de armazenamento de dados e futuros dispositivos quânticos.
As descobertas, publicadas na Journal of the American Chemical Society, mostram que a combinação de dois materiais com composições químicas quase idênticas, mas estruturas cristalinas muito diferentes, pode produzir uma nova estrutura. Este cristal híbrido inesperado apresenta propriedades magnéticas que não aparecem em nenhum dos materiais originais.
Como Giros Atômicos Criam Magnetismo
O magnetismo começa na escala atômica. Em materiais magnéticos, cada átomo se comporta como um pequeno ímã de barra devido a uma propriedade chamada giro atômico. O giro pode ser imaginado como uma pequena seta que indica a direção do campo magnético de um átomo.
Quando muitos giros atômicos se alinham, apontando 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 dos ímãs convencionais.
A equipe da FSU demonstrou que seu novo material se comporta de maneira muito diferente. Em vez de se alinhar de forma organizada, os giros atômicos se organizam em padrões de redemoinho complexos e repetidos. Esses arranjos, conhecidos como texturas de giro, influenciam fortemente como um material responde a campos magnéticos.
Criando Redemoinhos Magnéticos Através da Frustração Estrutural
Para produzir esses efeitos incomuns, os pesquisadores combinaram intencionalmente dois compostos que são quimicamente similares, mas estruturalmente incompatíveis. Cada composto possui uma simetria cristalina diferente, significando que os átomos estão dispostos de maneiras incompatíveis.
Quando essas estruturas se encontram, nenhuma delas consegue dominar completamente. Essa instabilidade na fronteira cria o que os cientistas chamam de “frustração” estrutural, onde o sistema não consegue se acomodar em um padrão simples e estável.
“Pensamos que talvez essa 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 os giros se torcerem. Vamos encontrar algumas estruturas que sejam quimicamente muito próximas, mas tenham simetrias diferentes.”
A equipe testou essa ideia combinando um composto feito de manganês, cobalto e germânio com outro feito de manganês, cobalto e arsênio. O germânio e o arsênio estão lado a lado na tabela periódica, tornando os compostos quimicamente similares, 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 giro ciclóides são conhecidos como texturas de giro 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. Esta instalação do Departamento de Energia dos EUA está localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge.
Por que Esses Padrões Magnéticos São Importantes
Materiais que abrigam texturas de giro 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.
Skyrmions também podem ser movidos com muito pouca energia, o que pode reduzir significativamente a demanda de energia em dispositivos eletrônicos. Em sistemas de computação em larga escala com milhares de processadores, mesmo ganhos modestos em eficiência podem se traduzir 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 forma 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 de nosso projeto LDRD, agora podemos resolver estruturas magnéticas muito complexas com muito mais confiança”, disse Xiaoping Wang, um cientista de difração de nêutrons renomado no Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Essa capacidade nos permite passar de simplesmente encontrar texturas de giro incomuns para projetá-las e otimizá-las intencionalmente para futuras tecnologias de informação e quânticas.”
Projetando Materiais em vez de Procurá-los
Grande parte do trabalho anterior sobre skyrmions envolvia a busca por materiais conhecidos e testá-los 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 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 em como o equilíbrio entre essas estruturas as afeta e a relação entre elas, e depois como isso pode se traduzir na relação entre giros atômicos”, disse Shatruk.
Compreendendo as regras subjacentes que governam esses padrões, os cientistas poderão eventualmente prever onde texturas de giro complexas se formarão antes de fabricarem o material.
“A ideia é ser capaz de prever onde essas texturas de giro complexas aparecerão”, disse o co-autor Ian Campbell, um estudante de pós-graduação no laboratório de Shatruk. “Tradicionalmente, os físicos procuram materiais conhecidos que já exibem a simetria que estão buscando e medem suas propriedades. Mas isso limita a gama de possibilidades. Estamos tentando desenvolver uma capacidade preditiva para dizer: ‘Se adicionarmos essas duas coisas juntas, formaremos um material completamente novo com essas propriedades desejadas.’
Essa estratégia também pode tornar as tecnologias futuras mais práticas ao expandir a gama de ingredientes utilizáveis. Essa flexibilidade pode permitir que os pesquisadores cultivem cristais mais facilmente, reduzam custos e fortaleçam as cadeias de suprimento para materiais magnéticos avançados.
Experiência em Pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge
Campbell completou parte da pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge, apoiado por uma bolsa da FSU.
“Essa experiência foi fundamental para esta pesquisa”, disse ele. “Estar em Oak Ridge me permitiu construir conexões com os cientistas lá e usar sua expertise para ajudar a resolver alguns dos problemas que enfrentamos para concluir este estudo.”
A Florida State University é um membro patrocinador das Oak Ridge Associated Universities desde 1951 e também é um parceiro universitário central do laboratório nacional. Através dessa parceria, membros da FSU, pesquisadores de pós-doutorado e estudantes de pós-graduação podem acessar as instalações do ORNL e colaborar com os cientistas do laboratório.
Colaboração e Financiamento
Os co-autores 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 Laboratório Nacional de Oak Ridge.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e realizada utilizando instalações da Florida State University e do Laboratório Nacional de Oak Ridge.