Pesquisadores liderados pela Universidade de Cambridge usaram uma técnica conhecida como detecção quântica de diamante para observar texturas rodopiantes e sinais magnéticos fracos na superfície da hematita, um tipo de óxido de ferro.

Os pesquisadores observaram que os monopolos magnéticos na hematita emergem através do comportamento coletivo de muitos spins (o momento angular de uma partícula). Esses monopolos deslizam pelas texturas rodopiantes da superfície da hematita, como pequenos discos de hóquei com carga magnética. Esta é a primeira vez que monopolos emergentes de ocorrência natural foram observados experimentalmente.

A pesquisa também mostrou a conexão direta entre as texturas giratórias anteriormente ocultas e as cargas magnéticas de materiais como a hematita, como se existisse um código secreto que os ligasse. Os resultados , que podem ser úteis para permitir aplicações de lógica e memória de próxima geração, são relatados na revista Nature Materials .

De acordo com as equações de James Clerk Maxwell, um gigante da física de Cambridge, os objetos magnéticos, seja um imã de geladeira ou a própria Terra, devem sempre existir como um par de pólos magnéticos que não podem ser isolados.

“Os ímãs que usamos todos os dias têm dois pólos: norte e sul”, disse o professor Mete Atatüre, que liderou a pesquisa. “No século XIX, levantou-se a hipótese de que poderiam existir monopólios. Mas em uma de suas equações fundamentais para o estudo do eletromagnetismo, James Clerk Maxwell discordou.”

Atatüre é chefe do Laboratório Cavendish de Cambridge, cargo que já foi ocupado pelo próprio Maxwell. “Se existissem monopolos e conseguíssemos isolá-los, seria como encontrar uma peça que faltava num puzzle que se supunha estar perdida”, disse ele.

Cerca de 15 anos atrás, os cientistas sugeriram como poderiam existir monopolos em um material magnético. Este resultado teórico baseou-se na extrema separação dos pólos norte e sul, de modo que localmente cada pólo apareceu isolado num material exótico chamado spin ice.

Contudo, existe uma estratégia alternativa para encontrar monopolos, envolvendo o conceito de emergência. A ideia de emergência é que a combinação de muitas entidades físicas pode dar origem a propriedades que são maiores ou diferentes da soma de suas partes.

Trabalhando com colegas da Universidade de Oxford e da Universidade Nacional de Singapura, os investigadores de Cambridge usaram a emergência para descobrir monopolos espalhados pelo espaço bidimensional, deslizando pelas texturas rodopiantes na superfície de um material magnético.

As texturas topológicas rodopiantes são encontradas em dois tipos principais de materiais: ferromagnetos e antiferromagnetos. Dos dois, os antiferromagnetos são mais estáveis que os ferromagnetos, mas são mais difíceis de estudar, pois não possuem uma assinatura magnética forte.

Para estudar o comportamento dos antiferromagnetos, Atatüre e seus colegas usam uma técnica de imagem conhecida como magnetometria quântica de diamante. Esta técnica utiliza um único spin – o momento angular inerente de um eletrão – numa agulha de diamante para medir com precisão o campo magnético na superfície de um material, sem afetar o seu comportamento.

Para o estudo atual, os pesquisadores usaram a técnica para observar a hematita, um material antiferromagnético de óxido de ferro. Para sua surpresa, encontraram padrões ocultos de cargas magnéticas na hematita, incluindo monopolos, dipolos e quadrupolos.

“Os monopolos foram previstos teoricamente, mas esta é a primeira vez que vimos um monopolo bidimensional num íman natural”, disse o coautor Professor Paolo Radaelli, da Universidade de Oxford.

“Esses monopolos são um estado coletivo de muitos spins que giram em torno de uma singularidade, em vez de uma única partícula fixa, de modo que emergem por meio de interações de muitos corpos. O resultado é uma partícula estável minúscula e localizada com um campo magnético divergente saindo dela”, disse o coautor Dr. Hariom Jani, da Universidade de Oxford.

“Mostramos como a magnetometria quântica de diamante poderia ser usada para desvendar o misterioso comportamento do magnetismo em materiais quânticos bidimensionais, o que poderia abrir novos campos de estudo nesta área”, disse o coautor Dr. Laboratório Cavendish. “O desafio sempre foi a imagem direta dessas texturas em antiferromagnetos devido à sua atração magnética mais fraca, mas agora somos capazes de fazê-lo, com uma bela combinação de diamantes e ferrugem.”

O estudo não só destaca o potencial da magnetometria quântica de diamante, mas também sublinha a sua capacidade de descobrir e investigar fenómenos magnéticos ocultos em materiais quânticos. Se controladas, essas texturas rodopiantes revestidas de cargas magnéticas poderiam alimentar a lógica da memória do computador super-rápida e com baixo consumo de energia.

A pesquisa foi apoiada em parte pela Royal Society, pelo Instituto Sir Henry Royce, pela União Europeia e pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI).