Cientistas descobrem vórtices magnéticos extraordinários previstos há meio século
Os materiais podem se comportar de maneiras surpreendentes quando são afinados camada por camada até se tornarem apenas um único átomo de espessura. Em um novo estudo publicado na Nature Materials, físicos liderados por pesquisadores da Universidade do Texas em Austin observaram uma sequência de estados magnéticos incomuns em um material ultrafino. Seus experimentos confirmam…
Os materiais podem se comportar de maneiras surpreendentes quando são afinados camada por camada até se tornarem apenas um único átomo de espessura. Em um novo estudo publicado na Nature Materials, físicos liderados por pesquisadores da Universidade do Texas em Austin observaram uma sequência de estados magnéticos incomuns em um material ultrafino. Seus experimentos confirmam um modelo teórico de magnetismo bidimensional que existe desde a década de 1970. A equipe afirma que a descoberta pode, eventualmente, inspirar tecnologias extremamente compactas que dependem do controle do magnetismo em escalas muito pequenas.
A nova sequência observada envolve duas mudanças importantes no comportamento magnético que ocorrem à medida que certos materiais são resfriados até a temperatura do zero absoluto. Embora os cientistas já tenham detectado cada transição separadamente, este estudo é o primeiro a observar toda a sequência se desenrolando em um único sistema.
Vórtices Magnéticos em um Cristal Ultrafino
Para investigar esses efeitos, os pesquisadores resfriaram uma folha atômica fina de trissulfeto de fósforo de níquel (NiPS3) a temperaturas entre -150 e -130 °C. Nesse intervalo, o material entrou em um estado magnético especial conhecido como fase de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT).
Nesta fase, as direções magnéticas dos átomos individuais, chamadas momentos magnéticos, organizam-se em estruturas giratórias conhecidas como vórtices. Esses vórtices se formam em pares que giram em direções opostas, com um girando no sentido horário e outro no sentido anti-horário. Cada par permanece fortemente ligado.
A fase BKT recebe o nome do físico Vadim Berezinskii e dos vencedores do Prêmio Nobel J. Michael Kosterlitz e David Thouless, que receberam o Prêmio Nobel de Física em 2016 por seu trabalho teórico descrevendo esse tipo de transição de fase.
“A fase BKT é particularmente intrigante porque esses vórtices são previstos para ser excepcionalmente robustos e confinados a apenas alguns nanômetros lateralmente, ocupando apenas uma única camada atômica em espessura”, disse Edoardo Baldini, professor assistente de física na UT e líder da pesquisa. “Devido à sua estabilidade e extremo tamanho pequeno, esses vórtices oferecem uma nova maneira de controlar o magnetismo em escala nanométrica e fornecem insights sobre física topológica universal em sistemas bidimensionais.”
Dos Vórtices Magnéticos para uma Fase Ordenada
Quando a temperatura caiu ainda mais, o material passou para um segundo estado magnético conhecido como fase ordenada de relógio de seis estados. Nesta configuração, os momentos magnéticos se alinham em uma das seis direções possíveis que estão relacionadas por simetria.
Observar tanto a fase BKT quanto a fase ordenada em temperaturas mais baixas confirma a realização experimental do modelo teórico de relógio de seis estados bidimensionais. Essa estrutura teórica, apresentada na década de 1970, prevê a sequência precisa de fases magnéticas observadas no experimento.
“Neste momento, nosso trabalho demonstra a sequência completa de fases esperadas para o modelo de relógio de seis estados bidimensionais e estabelece as condições sob as quais vórtices magnéticos em escala nanométrica emergem naturalmente em um magneto puramente bidimensional”, disse Baldini.
Rumo a Futuras Tecnologias Magnéticas em Escala Nanométrica
Os pesquisadores agora planejam explorar como estabilizar fases magnéticas semelhantes a temperaturas progressivamente mais altas. Idealmente, eles esperam descobrir materiais que possam sustentar esses efeitos mais próximos da temperatura ambiente. Esta primeira demonstração fornece um ponto de partida fundamental para esse esforço.
Os resultados também sugerem que muitos outros materiais magnéticos bidimensionais podem abrigar fases magnéticas desconhecidas. Essa possibilidade pode levar a novas descobertas em física fundamental, além de futuros conceitos para dispositivos eletrônicos em escala nanométrica.
Equipe de Pesquisa e Financiamento
O projeto recebeu apoio principal da Fundação Nacional de Ciência (NSF) por meio do Centro de Dinâmica e Controle de Materiais da UT, um Centro de Pesquisa em Ciência e Engenharia de Materiais da NSF. O grupo de Baldini também recebeu financiamento de Love, Tito’s; da Fundação Robert A. Welch; da Fundação W. M. Keck; da NSF através de um prêmio CAREER; do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA através de um prêmio do Programa de Jovens Investigadores; e do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA.
Os três autores seniores do estudo, Baldini, Allan MacDonald e Xiaoqin “Elaine” Li, são físicos da UT e membros do Instituto Quântico do Texas, que Li co-dirige. Os co-primeiros autores do estudo são Frank Y. Gao, um pós-doutorando em física na UT e futuro professor assistente de química na Universidade de Wisconsin-Madison, e Dong Seob Kim, um ex-aluno de pós-graduação em física na UT que é agora um pesquisador pós-doutoral na Universidade de Columbia. Contribuições adicionais vieram do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Academia Sinica e da Universidade de Utah.
