Um feixe de luz laser ativa um ímã em avanço significativo no controle da iluminação

Funcionamento dos Ferromagnetos

Ferromagnetos funcionam porque um grande número de pequenos momentos magnéticos dentro de um material se movimenta em uníssono. Cada elétron possui uma propriedade chamada spin que gera um campo magnético muito pequeno. Quando muitos desses spins se alinham na mesma direção, seu efeito combinado cria um ímã forte e estável, como o de uma bússola ou na porta da geladeira.

Esse alinhamento só ocorre quando as interações entre os spins são fortes o suficiente para superar o movimento térmico aleatório. Abaixo de uma temperatura crítica específica, essas interações coordenadas dominam, e o material se torna ferromagnético.

Normalmente, reverter a polaridade de um ímã requer aquecê-lo acima dessa temperatura crítica. Em temperaturas mais altas, o alinhamento ordenado se quebra, permitindo que os spins se reorganizem. Uma vez que o material esfria novamente, os spins se acomodam em uma nova orientação coletiva, fazendo com que o ímã aponte em uma direção diferente.

Comutação a Laser sem Calor

A equipe liderada pelo Prof. Dr. Tomasz Smoleński da Universidade de Basel e pelo Prof. Dr. Ataç Imamoğlu da ETH Zurich alcançou essa reorientação utilizando apenas luz, sem elevar a temperatura. Suas descobertas foram publicadas na revista Nature.

“O que é empolgante em nosso trabalho é que combinamos os três grandes temas da física da matéria condensada moderna em um único experimento: interações fortes entre os elétrons, topologia e controle dinâmico,” diz Imamoğlu.

Estados Topológicos e Materiais Quânticos Torcidos

Para realizar a descoberta, os pesquisadores trabalharam com um material cuidadosamente projetado composto por duas camadas atômicas finas do semicondutor orgânico disseleneto de molibdênio. As camadas estão empilhadas com um leve torção entre elas, um detalhe que gera um comportamento eletrônico incomum.

Nesta estrutura torcida, os elétrons podem se organizar em estados conhecidos como estados topológicos. Esses estados podem ser compreendidos por uma analogia simples. Uma bola não possui buraco, enquanto uma rosquinha possui um. Não importa o quanto você reshapa uma bola, você não pode transformá-la em uma rosquinha sem cortar ou rasgar. Da mesma forma, os estados topológicos são fundamentalmente distintos e não podem ser transformados suavemente uns nos outros.

Nos experimentos supervisionados por Smoleński e Imamoğlu, os pesquisadores conseguiram ajustar os elétrons entre estados topológicos que se comportam como isolantes e aqueles que conduzem eletricidade como metais. Em ambos os casos, as interações entre os elétrons causaram o alinhamento de seus spins em paralelo, produzindo um estado ferromagnético.

“Nosso principal resultado é que podemos usar um pulso de laser para mudar a orientação coletiva dos spins,” diz Olivier Huber, um doutorando da ETH que realizou as medições com Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Enquanto trabalhos anteriores tinham demonstrado que spins de elétrons individuais poderiam ser manipulados com luz, este estudo demonstra a comutação da polaridade de um ferromagneto inteiro de uma vez. “Essa comutação foi permanente e, além disso, a topologia influencia a dinâmica da comutação,” afirma Smoleński.

Controle Dinâmico dos Estados Magnéticos

O laser faz mais do que simplesmente inverter o ímã. Ele também pode definir novas fronteiras internas dentro do material microscópico, criando regiões onde o estado ferromagnético topológico existe. Como esse processo pode ser repetido, os pesquisadores podem controlar dinamicamente tanto as propriedades magnéticas quanto as topológicas do sistema.

Para confirmar que o pequeno ferromagneto, que mede apenas alguns micrômetros de diâmetro, realmente havia invertido sua polaridade, a equipe iluminou-o com um segundo feixe de laser, mais fraco. Ao analisar a luz refletida, puderam determinar a orientação dos spins dos elétrons.

“No futuro, teremos a capacidade de usar nosso método para escrever circuitos topológicos arbitrários e adaptáveis ópticamente em um chip,” diz Smoleński. Tais circuitos poderiam incluir mini interferômetros capazes de detectar campos eletromagnéticos extremamente pequenos, abrindo novas possibilidades para tecnologias de sensoriamento de precisão.