Os fa­sicos do MIT descobriram um estado "multiferra³ico" exa³tico em um material tão fino quanto uma única camada de a¡tomos. Sua observação éa primeira a confirmar que as propriedades multiferra³icas podem existir em um material perfeitamente bidimensional. As descobertas, publicadas na Nature , abrem caminho para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de dados menores, mais rápidos e mais eficientes, construa­dos com bits multiferra³icos ultrafinos, bem como outras novas estruturas em nanoescala.

“Materiais bidimensionais são como LEGOs osvocêcoloca um em cima do outro para fazer algo diferente de cada pea§a sozinha”, diz o autor do estudo Nuh Gedik, professor de física do MIT. "Agora temos uma nova pea§a LEGO: uma multiferroica monocamada, que pode ser empilhada com outros materiais para induzir propriedades interessantes."

Além de Gedik, os autores do estudo no MIT incluem o autor principal Qian Song, Connor Occhialini, Emre Egea§en, Batyr Ilyas e Riccardo Comin, a classe de 1947 Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira de Fa­sica, juntamente com colaboradores na Ita¡lia e no Japa£o e no Arizona Universidade Estadual.

Na ciência dos materiais, "ferroico" refere-se a  troca coletiva de qualquer propriedade nos elanãtrons de um material, como a orientação de sua carga ou rotação magnanãtica , por um campo externo. Os materiais podem incorporar um dos vários estados ferroicos. Por exemplo, ferromagnetos são materiais nos quais os spins dos elanãtrons se alinham coletivamente na direção de um campo magnanãtico, como flores girando com o sol. Da mesma forma, os ferroelanãtricos são compostos de cargas de elanãtrons que se alinham automaticamente com um campo elanãtrico .

Na maioria dos casos, os materiais são ferroelanãtricos ou ferromagnanãticos. Raramente eles incorporam os dois estados ao mesmo tempo.

"Essa combinação émuito rara", diz Comin. "Mesmo se pegarmos toda a tabela peria³dica e não colocarmos limites na combinação de elementos, não hámuitos desses materiais multiferra³icos que podem ser produzidos."

Mas nos últimos anos, os cientistas sintetizaram materiais em laboratório que exibem propriedades multiferra³icas, comportando-se tanto como ferroelanãtricos quanto ferromagnetos, de maneira curiosamente acoplada. Por exemplo, os spins magnanãticos dos elanãtrons podem ser trocados não apenas por um campo magnanãtico, mas também por um campo elanãtrico.

Esse estado multiferra³ico acoplado éparticularmente empolgante por seu potencial para avana§ar em dispositivos magnanãticos de armazenamento de dados. Nos discos ra­gidos magnanãticos convencionais, os dados são gravados em um disco de rotação rápida padronizado com pequenos doma­nios de material magnanãtico. Uma pequena ponta suspensa sobre o disco gera um campo magnético que pode alternar coletivamente os giros de elanãtrons de um doma­nio em uma direção ou outra para representar um "0" ou um "1" - os "bits" ba¡sicos que codificam os dados.

O campo magnético da ponta énormalmente produzido por uma corrente elanãtrica , que requer energia significativa, parte da qual pode ser perdida na forma de calor. Além de superaquecer um disco ra­gido, as correntes elanãtricas tem um limite para a rapidez com que podem gerar um campo magnético e alternar bits magnanãticos. Fa­sicos como Comin e Gedik acreditam que, se esses bits magnanãticos pudessem ser feitos de um material multiferra³ico, eles poderiam ser trocados usando campos elanãtricos mais rápidos e com maior eficiência energanãtica, em vez de campos magnanãticos induzidos por corrente.

"Se usando campos elanãtricos, o processo de escrita de bits seria muito mais rápido porque os campos podem ser criados em um circuito em uma fração de nanossegundo - potencialmente centenas de vezes mais rápido do que com corrente elanãtrica", diz Comin.

Um grande obsta¡culo para a integração de dispositivos tem sido o tamanho. Atéagora, os fa­sicos são observaram propriedades multiferra³icas em amostras relativamente grandes de materiais tridimensionais, grandes demais para trabalhar em bits de memória em nanoescala. Ninguanãm foi capaz de sintetizar um material multiferra³ico perfeitamente bidimensional.

"Todos os exemplos conhecidos de multiferra³icos estãoem 3D, e havia uma questãofundamental: esses estados podem existir em 2D, em uma única folha atômica?" Comin diz.

Para responder a isso, a equipe procurou o iodeto de na­quel (NiI 2 ), um material sintanãtico que éconhecido por ser multiferra³ico em forma a granel.

“No nosso caso, foi um desafio duplo, tentar transformar o iodeto de na­quel em uma forma 2D e medi-lo para ver se ele mantinha propriedades multiferra³icas”, diz Comin.

Enquanto outros materiais bidimensionais , como o grafeno, podem ser feitos simplesmente esfoliando as camadas de versaµes a granel, como grafite, o iodeto de na­quel émais delicado. A equipe precisava de uma nova maneira de sintetizar o material em forma 2D. A equipe, liderada por Song, emprestou uma técnica conhecida como crescimento epitaxial, na qual finas folhas atômicas de material são "cultivadas" em outro material base. No caso deles, Song e seus colegas usaram nitreto de boro hexagonal como base a granel, que eles colocaram em um forno. Sobre esse material, eles flua­ram pa³s de na­quel e iodeto, que se depositaram no nitreto de boro em flocos perfeitos e finos de iodeto de na­quel.

Para testar as propriedades multiferra³icas de cada floco, Gedik e Comin empregaram técnicas a³pticas desenvolvidas em seus respectivos laboratórios para sondar a resposta magnanãtica e elanãtrica do material.

“O comprimento de onda da luz que usamos éde cerca de meio ma­cron, então podemos ampliar uma pequena regia£o desse floco e estudar suas propriedades com grande precisão”, explica Comin.

Os pesquisadores resfriaram progressivamente os flocos 2D a temperaturas tão baixas quanto 20 kelvins, onde o material foi observado anteriormente para exibir propriedades multiferra³icas na forma 3D. Eles então realizaram testes a³pticos separados para sondar primeiro as propriedades magnanãticas e elanãtricas do material. Por volta de 20 K, o material foi encontrado tanto ferromagnético quanto ferroelanãtrico.

Os experimentos da equipe confirmam que o iodeto de na­quel émultiferra³ico em sua forma bidimensional. Além disso, o estudo éo primeiro a demonstrar que a ordem multiferra³ica pode existir em duasDimensões osasDimensões ideais para a construção de bits de memória multiferra³ica em nanoescala.

"Agora temos um material multiferra³ico em 2D. Antes, não saba­amos com o que trabalhar se quisanãssemos fazer um dispositivo multiferra³ico em nanoescala. Agora sabemos. E estamos comea§ando a fabricar esses dispositivos em nosso laboratório agora", Comin diz. "Queremos usar campos elanãtricos para controlar o magnetismo, para ver o quanto rápido podemos trocar bits multiferra³icos e como podemos miniaturizar esses dispositivos. Esse éo roteiro, e agora estamos muito mais pra³ximos."