Descoberta de um Novo Estrutural Magnético

As descobertas, publicadas na Journal of the American Chemical Society, mostram que a mistura de dois materiais com composições químicas quase idênticas, mas com estruturas cristalinas muito diferentes, pode produzir uma nova estrutura totalmente. Este cristal híbrido inesperado exibe propriedades magnéticas que não aparecem em nenhum dos materiais originais.

Como os Spins Atômicos Criam o Magnetismo

O magnetismo começa na escala atômica. Em materiais magnéticos, cada átomo se comporta como um pequeno ímã de bar, devido a uma propriedade chamada spin atômico. O spin pode ser imaginado como uma pequena seta indicando a direção do campo magnético de um átomo.

Quando muitos spins 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 de ímãs convencionais.

A equipe da FSU demonstrou que seu novo material se comporta de maneira muito diferente. Em vez de alinhar-se ordenadamente, os spins atômicos organizam-se em padrões complexos e recorrentes. Esses arranjos, conhecidos como texturas de spin, 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 semelhantes, mas estruturalmente incompatíveis. Cada composto possui uma simetria cristalina diferente, o que significa que os átomos estão dispostos de maneiras incompatíveis.

Quando essas estruturas se encontram, nenhum arranjo consegue dominar completamente. Essa instabilidade na fronteira cria o que os cientistas chamam de “frustração estrutural”, onde o sistema não consegue se estabelecer em um padrão simples e estável.

“Pensamos que talvez essa frustração estrutural se traduzisse em frustração magnética”, disse o coautor Michael Shatruk, professor do Departamento de Química e Bioquímica da FSU. “Se as estruturas estão em competição, talvez isso cause os spins a se torcerem. Vamos encontrar algumas estruturas que sejam quimicamente muito próximas, mas com simetrias diferentes.”

A equipe testou essa ideia ao combinar 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.

Uma vez que a mistura esfriou e cristalizou, os pesquisadores examinaram o resultado e confirmaram a presença dos padrões magnéticos em redemoinho que estavam almejando. Esses arranjos de spin cicloidais são conhecidos como texturas de spin semelhantes a skyrmions, que são um foco principal da pesquisa atual em física e química.

Para mapear a estrutura magnética em detalhes, a equipe usou medições de difração de nêutrons em cristal único coletadas no instrumento TOPAZ no Spallation Neutron Source. Esta instalação do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA está localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge.

Por que Esses Padrões Magnéticos Importam

Materiais que hospedam texturas de spin semelhantes a skyrmions possuem várias vantagens tecnológicas promissoras. Um uso potencial é em discos rígidos de próxima geração que armazenam muito mais informações no mesmo espaço físico.

Os skyrmions também podem ser movidos utilizando muito pouca energia, o que poderia reduzir significativamente as demandas de energia em dispositivos eletrônicos. Em sistemas de computação em larga escala com milhares de processadores, mesmo ganhos modestos de eficiência podem resultar 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 funcionando de maneira confiável, apesar de erros e ruídos — o santo graal do processamento de informações quânticas.

“Com os dados de difração de nêutrons em cristal único do TOPAZ e novas ferramentas de redução de dados e aprendizado de máquina do nosso projeto LDRD, podemos agora resolver estruturas magnéticas complexas com muito mais confiança”, disse Xiaoping Wang, um distinto cientista em dispersão de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Essa capacidade nos permite passar de simplesmente encontrar texturas de spin incomuns para projetá-las intencionalmente e otimizá-las para futuras tecnologias de informação e quânticas.”

Projetando Materiais em vez de Procurá-los

Grande parte do trabalho anterior sobre skyrmions envolveu a busca através de 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 buscar exemplos existentes, os pesquisadores projetaram um novo material do zero, usando a frustração estrutural como um princípio orientador para criar um comportamento magnético específico.

“É um pensamento químico, porque estamos pensando sobre como o equilíbrio entre essas estruturas as afeta e a relação entre elas, e depois como isso pode se traduzir na relação entre os spins atômicos”, disse Shatruk.

Ao entender as regras subjacentes que governam esses padrões, os cientistas poderão, eventualmente, prever onde texturas de spin complexas se formarão antes de fabricar o material.

“A ideia é poder prever onde essas texturas de spin complexas aparecerão,” disse o coautor 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, formaremos um material completamente novo com essas propriedades desejadas.’

Essa estratégia também pode tornar as tecnologias futuras mais práticas, expandindo a gama de ingredientes utilizáveis. Essa flexibilidade pode permitir que os pesquisadores cultivem cristais mais facilmente, reduzam custos e fortaleçam cadeias de suprimentos para materiais magnéticos avançados.

Experiência de Pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge

Campbell completou parte da pesquisa no Laboratório Nacional de Oak Ridge, enquanto era 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 com alguns dos problemas que tivemos que resolver para completar este estudo.”

A Universidade Estadual da Flórida tem sido um membro patrocinador das Universidades Associadas de Oak Ridge desde 1951 e também é um parceiro universitário central do laboratório nacional. Por meio dessa parceria, membros do corpo docente da FSU, pesquisadores de pós-doutorado e estudantes de pós-graduação podem acessar instalações do ORNL e colaborar com 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 do European Synchrotron Radiation Facility; Hu Zhang e Yi Long da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim; Richard Dronskowski da RWTH Aachen University; e Xiaoping Wang do Laboratório Nacional de Oak Ridge.

A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciência e realizada usando instalações na Universidade Estadual da Flórida e no Laboratório Nacional de Oak Ridge.