Físicos do MIT criaram um novo e duradouro estado magnético em um material, usando apenas luz.

Em um estudo que aparece hoje na Nature , os pesquisadores relatam o uso de um laser terahertz — uma fonte de luz que oscila mais de um trilhão de vezes por segundo — para estimular diretamente átomos em um material antiferromagnético. As oscilações do laser são ajustadas às vibrações naturais entre os átomos do material, de uma forma que muda o equilíbrio dos spins atômicos em direção a um novo estado magnético.

Os resultados fornecem uma nova maneira de controlar e alternar materiais antiferromagnéticos, que são interessantes por seu potencial de avançar o processamento de informações e a tecnologia de chips de memória.

Em ímãs comuns, conhecidos como ferromagnetos, os spins dos átomos apontam na mesma direção, de forma que o todo pode ser facilmente influenciado e puxado na direção de qualquer campo magnético externo. Em contraste, os antiferromagnetos são compostos de átomos com spins alternados, cada um apontando na direção oposta do seu vizinho. Essa ordem para cima, para baixo, para cima, para baixo essencialmente cancela os spins, dando aos antiferromagnetos uma magnetização líquida zero que é impermeável a qualquer atração magnética.

Se um chip de memória pudesse ser feito de material antiferromagnético, os dados poderiam ser “escritos” em regiões microscópicas do material, chamadas domínios. Uma certa configuração de orientações de spin (por exemplo, cima-baixo) em um dado domínio representaria o bit clássico “0”, e uma configuração diferente (baixo-cima) significaria “1”. Dados escritos em tal chip seriam robustos contra influência magnética externa.

Por esta e outras razões, os cientistas acreditam que materiais antiferromagnéticos podem ser uma alternativa mais robusta às tecnologias de armazenamento magnéticas existentes. Um grande obstáculo, no entanto, tem sido como controlar os antiferromagnetos de uma forma que alterne o material de um estado magnético para outro de forma confiável.

“Materiais antiferromagnéticos são robustos e não são influenciados por campos magnéticos dispersos indesejados”, diz Nuh Gedik, o Professor Donner de Física no MIT. “No entanto, essa robustez é uma espada de dois gumes; sua insensibilidade a campos magnéticos fracos torna esses materiais difíceis de controlar.”

Usando luz terahertz cuidadosamente ajustada, a equipe do MIT foi capaz de alternar de forma controlável um antiferromagneto para um novo estado magnético. Os antiferromagnetos poderiam ser incorporados em futuros chips de memória que armazenam e processam mais dados enquanto usam menos energia e ocupam uma fração do espaço dos dispositivos existentes, devido à estabilidade dos domínios magnéticos.

“Geralmente, tais materiais antiferromagnéticos não são fáceis de controlar”, diz Gedik. “Agora temos alguns botões para poder ajustá-los e modificá-los.”

Gedik é o autor sênior do novo estudo, que também inclui os coautores do MIT Batyr Ilyas, Tianchuang Luo, Alexander von Hoegen, Zhuquan Zhang e Keith Nelson, juntamente com colaboradores do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria na Alemanha, da Universidade do País Basco na Espanha, da Universidade Nacional de Seul e do Instituto Flatiron em Nova York.

O grupo de Gedik no MIT desenvolve técnicas para manipular materiais quânticos nos quais as interações entre átomos podem dar origem a fenômenos exóticos.

Em seu novo estudo, a equipe trabalhou com FePS 3 — um material que faz a transição para uma fase antiferromagnética a uma temperatura crítica de cerca de 118 kelvins (-247 graus Fahrenheit).

A equipe suspeitou que poderia controlar a transição do material sintonizando suas vibrações atômicas.

“Em qualquer sólido, você pode imaginá-lo como átomos diferentes que são periodicamente arranjados, e entre os átomos há pequenas molas”, explica von Hoegen. “Se você puxasse um átomo, ele vibraria em uma frequência característica que normalmente ocorre na faixa de terahertz.”

A maneira como os átomos vibram também se relaciona com a forma como seus spins interagem entre si. A equipe raciocinou que se pudessem estimular os átomos com uma fonte de terahertz que oscila na mesma frequência que as vibrações coletivas dos átomos, chamadas fônons, o efeito também poderia empurrar os spins dos átomos para fora de seu alinhamento perfeitamente equilibrado e alternado magneticamente. Uma vez desequilibrados, os átomos deveriam ter spins maiores em uma direção do que na outra, criando uma orientação preferencial que mudaria o material inerentemente não magnetizado para um novo estado magnético com magnetização finita.

“A ideia é que você pode matar dois coelhos com uma cajadada só: você excita as vibrações de terahertz dos átomos, que também se acoplam aos spins”, diz Gedik.

Para testar essa ideia, a equipe trabalhou com uma amostra de FePS 3 que foi sintetizada por colegas da Universidade Nacional de Seul. Eles colocaram a amostra em uma câmara de vácuo e a resfriaram até temperaturas de 118 K e abaixo dela. Eles então geraram um pulso de terahertz mirando um feixe de luz infravermelha próxima através de um cristal orgânico, que transformou a luz em frequências de terahertz. Eles então direcionaram essa luz de terahertz para a amostra.

“Esse pulso de terahertz é o que usamos para criar uma mudança na amostra”, diz Luo. “É como 'escrever' um novo estado na amostra.”

Para confirmar que o pulso desencadeou uma mudança no magnetismo do material, a equipe também mirou dois lasers de infravermelho próximo na amostra, cada um com uma polarização circular oposta. Se o pulso de terahertz não teve efeito, os pesquisadores não devem ver nenhuma diferença na intensidade dos lasers infravermelhos transmitidos.

“Só de ver uma diferença nos diz que o material não é mais o antiferromagneto original e que estamos induzindo um novo estado magnético, essencialmente usando luz terahertz para sacudir os átomos”, diz Ilyas.

Em experimentos repetidos, a equipe observou que um pulso de terahertz alterou com sucesso o material anteriormente antiferromagnético para um novo estado magnético — uma transição que persistiu por um tempo surpreendentemente longo, ao longo de vários milissegundos, mesmo após o laser ter sido desligado.

“As pessoas já viram essas transições de fase induzidas pela luz antes em outros sistemas, mas normalmente elas duram períodos muito curtos, da ordem de um picossegundo, que é um trilionésimo de segundo”, diz Gedik.

Em apenas alguns milissegundos, os cientistas agora podem ter uma janela de tempo decente durante a qual eles podem sondar as propriedades do novo estado temporário antes que ele se estabeleça novamente em seu antiferromagnetismo inerente. Então, eles podem ser capazes de identificar novos botões para ajustar os antiferromagnetos e otimizar seu uso em tecnologias de armazenamento de memória de próxima geração.

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais, Escritório de Ciências Básicas de Energia e Fundação Gordon e Betty Moore.