Se um forte pulso de laser atingir uma liga de ferro, o material derrete brevemente no ponto irradiado e uma pequena área magnética se forma. Crédito: HZDR/Sander Münster
Uma equipe de pesquisa revelou que pulsos de laser ultracurtos podem magnetizar ligas de ferro, uma descoberta com potencial significativo para aplicações em tecnologia de sensores magnéticos, armazenamento de dados e spintrônica.
Para magnetizar um prego de ferro, basta acariciar sua superfície várias vezes com uma barra magnética. No entanto, existe um método muito mais incomum: uma equipe liderada pelo Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR) descobriu há algum tempo que um certo ferro Liga pode ser magnetizado com pulsos de laser ultracurtos. Os pesquisadores agora se uniram ao Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) para investigar mais detalhadamente esse processo. Eles descobriram que o fenômeno também ocorre com uma classe diferente de materiais – o que amplia significativamente as perspectivas de aplicação potencial. O grupo de trabalho apresenta suas descobertas na revista científica Materiais Funcionais Avançados.
Descoberta inovadora em magnetização
A descoberta inesperada foi feita em 2018. Quando a equipe do HZDR irradiou uma fina camada de uma liga de ferro-alumínio com pulsos de laser ultracurtos, o material não magnético tornou-se subitamente magnético. A explicação: os pulsos de laser reorganizam os átomos do cristal de tal forma que os átomos de ferro se aproximam, formando assim um ímã. Os pesquisadores conseguiram então desmagnetizar a camada novamente com uma série de pulsos de laser mais fracos. Isto permitiu-lhes descobrir uma forma de criar e apagar pequenos “pontos magnéticos” numa superfície.
No entanto, a experiência piloto ainda deixou algumas questões sem resposta. “Não estava claro se o efeito ocorre apenas na liga de ferro-alumínio ou também em outros materiais”, explica o físico do HZDR, Dr. “Também queríamos tentar rastrear a progressão do processo no tempo.” Para uma investigação mais aprofundada, ele se uniu ao Dr. Theo Pflug do LHM e colegas da Universidade de Zaragoza, na Espanha.
Flip Book com pulsos de laser
Os especialistas concentraram-se especificamente numa liga de ferro-vanádio. Ao contrário da liga de ferro-alumínio com sua rede cristalina regular, os átomos da liga de ferro-vanádio estão dispostos de forma mais caótica, formando uma estrutura amorfa semelhante a vidro. Para observar o que acontece com a irradiação laser, os físicos usaram um método especial: o método bomba-sonda.
“Primeiro, irradiamos a liga com um forte pulso de laser, que magnetiza o material”, explica Theo Pflug. “Simultaneamente, usamos um segundo pulso mais fraco que é refletido na superfície do material.”
A análise do pulso de laser refletido fornece uma indicação das propriedades físicas do material. Este processo é repetido várias vezes, pelo que o intervalo de tempo entre o primeiro impulso de “bomba” e o impulso de “sonda” subsequente é continuamente prolongado.
Como resultado, é obtida uma série temporal de dados de reflexão, que permite caracterizar os processos desencadeados pela excitação do laser. “Todo o procedimento é semelhante à geração de um flip book”, diz Pflug. “Da mesma forma, uma série de imagens individuais que são animadas quando vistas em rápida sucessão.”
Derretimento Rápido
O resultado: embora tenha uma estrutura atômica diferente da do composto de ferro-alumínio, a liga de ferro-vanádio também pode ser magnetizada via laser. “Em ambos os casos, o material derrete brevemente no ponto de irradiação”, explica Rantej Bali. “Isso faz com que o laser apague a estrutura anterior, gerando uma pequena área magnética em ambas as ligas.”
Um resultado encorajador: aparentemente, o fenômeno não se limita a uma estrutura material específica, mas pode ser observado em diversos arranjos atômicos.
A equipe também acompanha a dinâmica temporal do processo: “Pelo menos agora sabemos em que escalas de tempo algo acontece”, explica Theo Pflug. “Em femtossegundos, o pulso do laser excita os elétrons do material. Vários picossegundos depois, os elétrons excitados transferem sua energia para os núcleos atômicos.”
Consequentemente, esta transferência de energia provoca o rearranjo numa estrutura magnética, que é estabilizada pelo subsequente arrefecimento rápido. Nas experiências seguintes, os investigadores pretendem observar exactamente como os átomos se reorganizam, examinando o processo de magnetização com raios X intensos.
Miras definidas em aplicativos
Embora ainda esteja em estágio inicial, este trabalho já fornece ideias iniciais para possíveis aplicações: por exemplo, é concebível colocar minúsculos ímãs na superfície de um chip via laser. “Isso pode ser útil para a produção de sensores magnéticos sensíveis, como os usados em veículos”, especula Rantej Bali. “Também poderia encontrar possíveis aplicações no armazenamento de dados magnéticos.”
Além disso, o fenômeno parece relevante para um novo tipo de eletrônica, nomeadamente a spintrônica. Aqui, sinais magnéticos deveriam ser usados para processos de computação digital, em vez de elétrons passarem através de transistores como de costume – oferecendo uma abordagem possível para a tecnologia computacional do futuro.
Referência: “Reordenação de rede química e posicional induzida por laser gerando ferromagnetismo” por Theo Pflug, Javier Pablo-Navarro, Md. Shabad Anwar, Markus Olbrich, César Magén, Manuel Ricardo Ibarra, Kay Potzger, Jürgen Faßbender, Jürgen Lindner, Alexander Horn e Rantej Bali, 21 de novembro de 2023, Materiais Funcionais Avançados.
DOI: 10.1002/adfm.202311951
