Engenheiros fazem ímãs agir como grafeno

Em um estudo publicado na Physical Review X, pesquisadores da The Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign demonstraram como sistemas magnéticos bidimensionais especialmente projetados podem seguir as mesmas equações que descrevem elétrons móveis no grafeno. Essa conexão matemática pode influenciar o design de dispositivos de radiofrequência e também fornecer aos pesquisadores uma nova e poderosa maneira de analisar e projetar esses materiais.

“Não é nada óbvio que haja uma analogia entre eletrônicos 2D e comportamentos magnéticos 2D, e ainda estamos impressionados com o quão bem essa analogia funciona,” disse Bobby Kaman, autor principal do estudo. “Os eletrônicos 2D são muito bem estudados graças à descoberta do grafeno, e agora mostramos que uma classe de materiais não tão bem estudada obedece à mesma física fundamental.”

Inspiração de Metamateriais e Grafeno

O conceito surgiu do trabalho de Kaman com metamateriais. Esses materiais são projetados de tal forma que sua estrutura em larga escala produz comportamentos que normalmente não ocorreriam na disposição atômica natural do material.

Kaman, um estudante de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais trabalhando no grupo de pesquisa do professor Axel Hoffmann, percebeu que tanto os elétrons do grafeno quanto as excitações magnéticas microscópicas em materiais chamados de magnônicos se comportam como ondas. Essa semelhança levantou uma possibilidade intrigante. Talvez um sistema magnético pudesse ser projetado para se comportar matematicamente como o grafeno.

“O grafeno é único porque seus elétrons de condução se organizam em ondas sem massa, então fiquei curioso se alterar a geometria física de um material magnônico para se parecer com o grafeno o faria agir como grafeno,” disse Kaman. “Eu pensei que talvez teria algumas propriedades semelhantes ao grafeno, mas a analogia era muito mais profunda e rica do que eu esperava.”

Projetando um Sistema Magnético que Imita o Grafeno

Para explorar a ideia, os pesquisadores modelaram um filme magnético fino contendo pequenos orifícios dispostos em um padrão hexagonal. Dentro desta estrutura, momentos magnéticos microscópicos, conhecidos como “spins”, interagem e produzem distúrbios que viajam chamados ondas de spin.

Quando a equipe calculou as energias dessas ondas de spin, descobriram que seu comportamento matemático se alinhava de perto com o de elétrons se movendo através do grafeno.

O sistema acabou sendo ainda mais complexo do que o esperado. Em vez de uma simples analogia um a um, os pesquisadores identificaram nove bandas de energia distintas. Essas bandas permitem que vários tipos de comportamentos apareçam ao mesmo tempo. Entre eles estão ondas de spin sem massa semelhantes às ondas de elétrons do grafeno, assim como bandas de baixa dispersão associadas a estados localizados e até mesmo efeitos topológicos que se estendem por várias bandas.

“O que torna o trabalho de Bobby notável é que ele faz uma conexão direta entre um sistema de spin projetado e um modelo de física fundamental,” disse Hoffmann. “Os cristais magnônicos são notórios por produzir uma variedade esmagadora de fenômenos dependentes da estrutura e geometria, a maioria dos quais é catalogada sem realmente ser compreendida. A analogia com o grafeno neste sistema fornece uma explicação clara para os comportamentos observados.”

Potencial para Dispositivos de Micro-ondas Menores

Além de sua importância para a física básica, a pesquisa pode ter aplicações práticas. A equipe acredita que o sistema pode ser útil na tecnologia de micro-ondas usada em comunicação sem fio e celular.

“Um desses dispositivos é um ‘circulador de micro-ondas’ que permite que sinais de rádio micro-ondas se propaguem apenas em uma direção,” explicou Hoffmann. “Geralmente, eles são volumosos, mas o sistema magnônico que estudamos poderia permitir que dispositivos de micro-ondas fossem miniaturizados até a escala de micrômetros.”

O grupo de pesquisa de Hoffmann já apresentou um pedido de patente cobrindo seus conceitos de dispositivo de micro-ondas.

Jinho Lim e Yingkai Liu também contribuiram para a pesquisa.

O apoio ao trabalho foi fornecido pelo Illinois Materials Research Science and Engineering Center através da National Science Foundation.

Axel Hoffmann é professor de ciência e engenharia de materiais da Illinois Grainger Engineering no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Ele também está afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e possui uma nomeação de Professor Fundador.