Os pesquisadores alteraram com sucesso o magnetismo em um cristal aplicando pressão. Este método, que varia as interações magnéticas em uma rede cristalina, poderia revolucionar o armazenamento de dados e a computação quântica, controlando a frustração geométrica e as propriedades magnéticas.
O magnetismo é influenciado pelo comportamento dos elétrons. Por exemplo, estas minúsculas partículas podem criar uma corrente elétrica usando a sua carga, que por sua vez pode produzir um campo magnético. Além disso, o magnetismo pode emergir do alinhamento coordenado de momentos magnéticos, ou spins, dentro de uma substância. Até agora, era impossível alterar continuamente o tipo de magnetismo presente num cristal.
Uma equipa de investigação internacional liderada pelo professor da TU Wien, Andrej Pustogow, conseguiu agora fazer exactamente isso: mudar o magnetismo “apertando um botão”. Para isso, a equipe alterou continuamente as interações magnéticas em um único cristal aplicando pressão. Os pesquisadores publicaram recentemente seus resultados na renomada revista Cartas de revisão física.
O magnetismo é fascinante
As pessoas são fascinadas pelo magnetismo há milhares de anos e, em primeiro lugar, ele tornou possíveis muitas aplicações técnicas. De bússolas e motores elétricos a geradores – estes e outros dispositivos não existiriam sem o ferromagnetismo. Embora o ferromagnetismo já seja bem estudado, a pesquisa fundamental está cada vez mais interessada em outras formas de magnetismo. Estes são de particular interesse para o armazenamento seguro de dados e como plataformas potenciais para computadores quânticos.
Andrej Pustogow (esquerda), Maximilian Spitaler (direita) e colegas mostram como é a frustração magnética na grade triangular. Crédito: TU Viena
“No entanto, procurar novas formas de magnetismo e controlá-las totalmente é uma tarefa extremamente difícil”, afirma o líder do estudo, Andrej Pustogow.
Ferromagnetismo e antiferromagnetismo
Os spins podem ser visualizados como pequenas agulhas de bússola que podem se alinhar em um campo magnético externo e ter um campo magnético. No caso do ferromagnetismo, usado em ímãs permanentes, todos os spins dos elétrons se alinham paralelamente entre si. Em alguns arranjos de spins de elétrons, por exemplo, em redes cristalinas quadradas comuns, do tipo tabuleiro de xadrez, um alinhamento antiparalelo dos spins também é possível: os spins vizinhos sempre apontam alternadamente em direções opostas.
Com redes triangulares (ou redes nas quais ocorrem estruturas triangulares, como a rede kagome mais complexa), um arranjo completamente antiparalelo não é possível: se dois cantos de um triângulo têm direções de rotação opostas, o lado restante deve corresponder a uma das duas direções . Ambas as opções – aumentar ou diminuir a rotação – são exatamente equivalentes.
“Essa possibilidade de múltiplas alternativas idênticas é conhecida como ‘frustração geométrica’ e ocorre em estruturas cristalinas com spins de elétrons dispostos em redes triangulares, kagome ou em favo de mel”, explica Pustogow. Como resultado, pares de spins dispostos aleatoriamente são formados, com alguns spins não encontrando nenhum parceiro. “Os momentos magnéticos desemparelhados restantes poderiam ser emaranhados entre si, manipulados com campos magnéticos externos e, assim, usados para armazenamento de dados ou operações computacionais em computadores quânticos”, diz o físico do estado sólido Pustogow.
Frustração alterada através da pressão
“Em materiais reais, ainda estamos longe desse estado de frustração ideal. Em primeiro lugar, precisamos ser capazes de controlar com precisão a simetria da rede cristalina e, portanto, as propriedades magnéticas”, diz Andrej Pustogow. Embora já possam ser produzidos materiais com forte frustração geométrica, uma mudança contínua de frustração fraca para forte e vice-versa ainda não foi possível, especialmente em um mesmo cristal.
Para alterar o magnetismo do material investigado “apertando um botão”, os pesquisadores colocaram o cristal sob pressão. A partir de uma estrutura kagome, a rede cristalina foi deformada por tensões uniaxiais, o que alterou as interações magnéticas entre os elétrons. “Usamos pressão mecânica para forçar o sistema em uma direção magnética preferida. Como às vezes na vida real, o estresse reduz a frustração porque uma decisão nos é imposta e não temos que tomá-la nós mesmos”, afirma Andrej Pustogow. A equipe conseguiu aumentar a temperatura da transição de fase magnética em mais de dez por cento. “Isso pode não parecer muito à primeira vista, mas se o ponto de congelamento da água fosse aumentado em dez por cento, por exemplo, ela congelaria a 27 °C – com graves consequências para o mundo como o conhecemos”, explica Pustogow.
Embora no caso atual a frustração geométrica tenha sido reduzida pela pressão mecânica, a equipe de pesquisa agora tem como objetivo aumentar a frustração, a fim de eliminar completamente o antiferromagnetismo e realizar um líquido de spin quântico conforme descrito acima. “A possibilidade de controlar ativamente a frustração geométrica através do estresse mecânico uniaxial abre a porta para manipulações inimagináveis das propriedades dos materiais ‘apertando um botão’”, resume Andrej Pustogow.
Referência: “Liberação controlada de frustração na rede Kagome por ajuste de tensão uniaxial” por Jierong Wang, M. Spitaler, Y.-S. Su, KM Zoch, C. Krellner, P. Puphal, SE Brown e A. Pustogow, 18 de dezembro de 2023, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.256501
