Foi descoberto um novo tipo de material magnético, o material altermagnético. Pode ser usado em discos rígidos de computadores.
Fonte: ScienceNews (Traduzido para o Português)
Os físicos relataram uma nova classe de materiais magnéticos chamados de altermagnéticos, que podem levar a novas tecnologias, como discos rígidos de computadores mais rápidos e eficientes.
O estudo dos materiais magnéticos é uma ciência antiga. Ferromagnéticos são conhecidos por milhares de anos. A magnetita fascinava os antigos gregos. Os chineses forjaram a magnetita para fazer as primeiras bússolas no quarto século antes de Cristo. Materiais antiferromagnéticos foram descobertos na década de 1930.
Há alguns anos atrás, previsões teóricas sugeriam que materiais altermagnéticos poderiam existir. Quando cientistas começaram a procurar por eles, descobriram rapidamente que tais materiais eram reais e abundantes.
Em um nível microscópico, os materiais obtêm o magnetismo dos átomos. Estes têm spin, uma propriedade da mecânica quântica concedida pelos elétrons dos átomos. O spin faz com que cada átomo aja como um pequeno ímã. Os spins podem apontar para diferentes direções, geralmente chamados de spin up e down. Qualquer material com spins arranjados de forma ordeira, na ausência de um campo magnético externo, é considerado um material magnético.
Até agora, os materiais magnéticos eram divididos nas seguintes categorias:
- Ferromagnéticos: são fortemente magnetizados por um campo magnético externo, a magnetização persiste parcialmente quando o campo magnético externo é removido. Estes materiais possuem domínios magnéticos, regiões onde os momentos magnéticos dos átomos já estão alinhados em uma direção. Os materiais mais conhecidos desta categoria são o ferro, cobalto, níquel e as ligas com estes elementos.
- Paramagnéticos: um campo magnético externo pode alinhar os momentos de dipolo magnético e magnetizar o material. Porém, depois de remover o campo magnético, o material é desmagnetizado. Alguns exemplos são: terras raras, alumínio e sódio.
- Diamagnéticos: são materiais levemente repelidos por um campo magnético. Quando recebem um campo magnético externo, produzem um campo magnético de sentido oposto, quando o campo externo é removido, voltam ao estado original. Todos os materiais possuem diamagnetismo, pois os elétrons orbitam o núcleo e o movimento destes produz um pequeno campo magnético, elétrons com spins opostos produzem campos magnéticos que se cancelam. Porém, nos outros tipos de materiais, os outros efeitos são mais fortes que o diamagnetismo. Alguns exemplos desta categoria são bismuto, água, silício e ouro.
- Antiferromagnéticos: possuem domínios magnéticos com momentos magnéticos em direções opostas, mas ficam paralelos ao campo externo.
- Ferrimagnéticos: os momentos dipolo de direções opostas, dentro do domínio de um material, apenas se cancelam parcialmente.
Nos altermagnéticos, os spins dos átomos se alternam, mas com um toque adicional. Não apenas os spins dos átomos vizinhos são opostos, mas os átomos também têm orientações do momento diferentes.
Se você pegar um altermagnético e girar o material a 90º, será idêntico ao estado original. Este é um tipo especial de simetria, diferente dos outros materiais magnéticos. Esta simetria coloca os altermagnéticos em sua própria classe, relataram Jairo Sinova, da Universidade Johannes Gutenberg, em Mainz, e seus colegas na Physical Review X, em Setembro de 2022, em um dos vários artigos teóricos desde 2019, que ajudaram a colocar os altermagnéticos no mapa.
Os experimentos começaram a confirmar as identidades altermagnéticas em certos materiais.
Os cientistas previram que os elétrons dentro do material altermagnético teriam algumas características incomuns. Para confirmar a natureza altermagnética de um material, os cientistas precisam mapear o comportamento do elétron. É particularmente importante traçar como a energia do elétron de um material se relaciona com o momento. Em materiais ferromagnéticos, o momento depende do spin, elétrons spin up têm um momento diferente dos elétrons spin down de mesma energia.
Nos materiais antiferromagnéticos, os elétrons spin up e spin down são o mesmo. Para uma determinada energia, ambos os spins possuem o mesmo momento.
Aqui entra a natureza dupla dos altermagnéticos. Os cientistas previram que os elétrons dos materiais seriam divididos de acordo com o spin, mas apenas para elétrons se movendo em certas direções. Significa que em algumas orientações, o material age como ferromagnético e em outras, como antiferromagnético.
Para confirmar este efeito, os cientistas usaram uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo, que mede os elétrons emitidos quando o material recebe luz. Com este método, os pesquisadores observaram a divisão do spin no telureto de manganês. O material foi estudado desde a década de 1960 e acreditava-se que era antiferromagnético. Mas o resultado correspondeu ao comportamento altermagnético previsto anteriormente e relatado em 15 de Fevereiro, na Nature.
Outras equipes de pesquisa encontraram propriedades altermagnéticas em dióxido de rutênio e em um composto de cromo e antimônio.
Possíveis aplicações do material altermagnético
Atualmente, os ferromagnéticos são usados em discos rígidos magnéticos de computador, que codificam ‘0’ e ‘1’ em pequenos bits magnéticos.
Bits magnéticos são difíceis de juntar, se ficarem muito próximos podem se interferir por campos magnéticos e possuem um limite de velocidade. Então, os cientistas consideraram trocar ferromagnéticos por antiferromagnéticos, os quais não têm campo magnético. Mas há um problema, para ler dados, discos rígidos levam vantagem do comportamento de divisão do spin dos ferromagnéticos. Nos antiferromagnéticos, elétrons não se dividem de acordo com o spin.
Os altermagnéticos, que não possuem campo magnético, mas dividem os elétrons por spin, podem fornecer o melhor dos dois mundos. “O altermagnetismo parece remediar as limitações dos ferromagnéticos”, disse o físico Tomáš Jungwirth, do Instituto de Física da Academia Tcheca de Ciências.
E tem mais, enquanto ferromagnéticos tendem a ser metais, os altermagnéticos podem ser feitos de vários tipos de materiais. Por exemplo, o telureto de manganês é um semicondutor, como semicondutores são usados para fazer chips de computador, os cientistas esperam que um material magnético que também é semicondutor possa permitir a possibilidade de combinar a memória e o processador em um material.
