Em um sistema fa­sico fechado, a soma de todos os momentos angulares permanece constante, de acordo com uma importante lei física de conservação. O momento angular não precisa necessariamente envolver rotação corporal "real" neste contexto: os materiais magnanãticos tem atémesmo momento angular quando, vistos de fora, estãoem repouso. Os fa­sicos Albert Einstein e Wander Johannes de Haas conseguiram provar isso em 1915.

Se esse material magnetizado for agora bombardeado com pulsos curtos de luz laser, ele perdera¡ sua ordem magnanãtica extremamente rapidamente. Em femtossegundos - um milionanãsimo de bilionanãsimo de segundo - ele se desmagnetiza. O momento angular dos elanãtrons no material ostambém chamado de spin osdiminui abruptamente, muito mais rápido do que o material pode se colocar em rotação. De acordo com o princa­pio de conservação, no entanto, o momento angular não pode simplesmente ser perdido. Então, para onde o momento angular de rotação étransferido em tão pouco tempo?

A solução para o quebra-cabea§a foi agora publicada na revista cienta­fica Nature . No estudo, uma equipe liderada por pesquisadores de Konstanz investigou a desmagnetização de cristais de na­quel usando difração de elanãtrons ultrarrápida osum manãtodo de medição altamente preciso em termos de tempo e espaço que pode tornar visível o curso dasmudanças estruturais nonívelata´mico. Eles foram capazes de mostrar que os elanãtrons do cristal transferem seu momento angular para os a¡tomos da rede cristalina dentro de algumas centenas de femtossegundos durante a desmagnetização.

Assim como os passageiros de um carrossel, os a¡tomos são colocados em movimento em pequenos circuitos e, assim, equilibram o momento angular. a‰ apenas muito mais tarde e mais lentamente que comea§a o efeito de rotação macrosca³pica com o nome de Einstein e de Haas, que pode ser medido mecanicamente. Essas descobertas mostram novas maneiras de controlar o momento angular de forma extremamente rápida, abrindo novas possibilidades para melhorar as tecnologias de informação magnanãtica ou novas direções de pesquisa em spintra´nica.

Fena´menos magnanãticos tornaram-se uma parte indispensa¡vel da tecnologia moderna. Eles desempenham um papel importante especialmente no processamento de informações e armazenamento de dados. "A velocidade e a eficiência das tecnologias existentes são frequentemente limitadas pela duração comparativamente longa dos processos de comutação magnanãtica", explica o professor Peter Baum, fa­sico experimental da Universidade de Konstanz e um dos chefes do estudo. Ainda mais interessante para a pesquisa de materiais, portanto, éum fena´meno surpreendente que pode ser observado no na­quel, entre outras coisas: a desmagnetização ultrarrápida causada pelo bombardeio com pulsos de laser.

Assim como o ferro, o na­quel pertence fisicamente aos materiais ferromagnanãticos. Os a­ma£s permanentes como os conhecemos em nossas vidas cotidianas podem ser feitos desses materiais, por exemplo, a­ma£s de geladeira. A magnetização permanente resulta de um arranjo paralelo dos momentos magnanãticos daspartículas vizinhas do material. "Para ilustrar isso, podemos imaginar os momentos magnanãticos como pequenas setas que apontam na mesma direção", explica o professor Ulrich Nowak, fa­sico tea³rico da Universidade de Konstanz e também um dos lideres do projeto. Fisicamente, o momento angular ou spin dos elanãtrons do material ferromagnético éa causa dessas "setas" e sua direção.

Atravanãs do bombardeio com luz laser, o alinhamento perfeito dos momentos magnanãticos pode ser destrua­do em muito pouco tempo. "Um pulso de laser de menos de 100 femtossegundos ésuficiente para fazaª-lo. Esses pulsos de laser pertencem aos mais curtos eventos feitos pelo homem que existem", explica Ulrich Nowak e continua: "O pulso de laser aquece o material a tal ponto que as 'setas '—para ficar com a imagem—são girados ao redor. No final, metade aponta para um lado e a segunda metade aponta para o outro."

a‰ aqui que entra em jogo a lei da conservação do momento angular, porque a mudança na direção das "setas" altera o spin dos elanãtrons e, portanto, o momento angular. No entanto, como a soma de todo o momento angular do material deve ser mantida, o spin não pode simplesmente desaparecer. Em vez disso, ele deve ser transferido para outro lugar de alguma forma. Como isso pode acontecer dentro de femtossegundos não estava claro atéagora e existiam apenas considerações tea³ricas contradita³rias sobre esse fena´meno.

Para resolver o quebra-cabea§a fa­sico, era necessa¡ria uma estreita cooperação entre teóricos e experimentalistas: com base em uma hipa³tese dos dois professores de Konstanz Peter Baum e Ulrich Nowak, uma equipe de física tea³rica usou pela primeira vez simulações de computador para elaborar uma sanãrie de previsaµes sobre possa­veis movimentos ata´micos durante a desmagnetização ultrarrápida. Os fa­sicos experimentais então verificaram essas previsaµes atravanãs de experimentos com lasers de femtossegundos e pulsos ultracurtos de elanãtrons. A equipe do professor Wolfgang Kreuzpaintner da Universidade Tanãcnica de Munique forneceu os cristais ultrafinos de na­quel.

“Para nosso experimento, primeiro magnetizamos nosso cristal de na­quel em uma direção especa­fica e depois o desmagnetizamos com um pulso de laser de femtossegundo de maneira ultrarrápida”, diz Peter Baum, descrevendo a configuração ba¡sica do experimento. Enquanto isso, os pesquisadores liderados pela primeira autora, Dra. Sonja Tauchert, observaram o cristal usando difração de elanãtrons ultrarrápida. Esse manãtodo permite obter informações sobre asmudanças temporais na estrutura dos materiais ose fazaª-lo com precisão espacial atômica e resolução temporal na faixa de femtossegundos. As sequaªncias resultantes de padraµes de difração - gravações atômicas em ca¢mera lenta de desmagnetização, por assim dizer - poderiam então ser interpretadas usando as previsaµes assistidas por computador dos teóricos.

"Nossos experimentos e simulações mostraram que o momento angular dos elanãtrons étransferido localmente para os a¡tomos da rede cristalina na mesma escala de tempo em que a ordem magnanãtica do cristal éperdida", explica Ulrich Nowak. A princa­pio, alguns a¡tomos comea§am a se mover em a³rbitas circulares em torno de sua posição original de repouso. Atravanãs da interação com os a¡tomos vizinhos, este movimento e, portanto, o momento angular émuito rapidamente transferido para todos os outros a¡tomos. Finalmente, toda a rede cristalina oscila uniformemente em pequenas a³rbitas circulares. Os fa­sicos geralmente se referem a uma vibração de trelia§a coletiva como "fa´non". No caso especial descrito, esses fa´nons são polarizados circularmente e, portanto, carregam momento angular.

“Isso não apenas resolveu um antigo mistério na física do estado sãolido, mas simultaneamente forneceu provas experimentais de que as vibrações polarizadas da rede podem de fato transportar o momento angular osde maneira muito eficaz e ultrarrápida”, diz Peter Baum. "O efeito Einstein-de-Haas tem um passo intermediário nasDimensões atômicas", acrescenta. Tais efeitos podem ser usados ​​para controlar materiais magnanãticos usando luz laser e potencialmente criar alternativas mais eficientes para a eletra´nica convencional. "Esperamos que isso nos permita produzir componentes aprimorados no futuro. Ao contra¡rio dos circuitos eletra´nicos atuais, eles funcionariam com transporte de spin em vez de transporte de carga, o que seria significativamente mais eficiente em termos energanãticos", explica Ulrich Nowak. “Ao demonstrar que as vibrações da rede podem transportar um giro, abrimos um caminho novo e potencialmente promissor para novos dispositivos em spintra´nica”.