A técnica fornece aos pesquisadores uma ferramenta poderosa para controlar o magnetismo e pode ajudar no projeto de chips de memória mais rápidos, menores e com maior eficiência energética.
Os físicos do MIT criaram um estado magnético novo e duradouro em um materials, usando apenas luz.
Em um estudo aparecendo hoje em Naturezaos pesquisadores relatam o uso de um laser terahertz – uma fonte de luz que oscila mais de um trilhão de vezes por segundo – para estimular diretamente os átomos em um materials antiferromagnético. As oscilações do laser estão sintonizadas com as vibrações naturais entre os átomos do materials, de uma forma que muda o equilíbrio dos spins atômicos em direção a um novo estado magnético.
Os resultados fornecem uma nova maneira de controlar e trocar materiais antiferromagnéticos, que são de interesse por seu potencial para avançar no processamento de informações e na tecnologia de chips de memória.
Nos ímãs comuns, conhecidos como ferromagnetos, os spins dos átomos apontam na mesma direção, de forma que o todo pode ser facilmente influenciado e puxado na direção de qualquer campo magnético externo. Em contraste, os antiferromagnetos são compostos de átomos com spins alternados, cada um apontando na direção oposta do seu vizinho. Essa ordem para cima, para baixo, para cima, para baixo cancela essencialmente os spins, dando aos antiferromagnetos uma magnetização zero líquida que é impermeável a qualquer atração magnética.
Se um chip de memória pudesse ser feito de materials antiferromagnético, os dados poderiam ser “escritos” em regiões microscópicas do materials, chamadas domínios. Uma certa configuração de orientações de spin (por exemplo, de cima para baixo) em um determinado domínio representaria o bit clássico “0”, e uma configuração diferente (de baixo para cima) significaria “1”. Os dados gravados em tal chip seriam robustos contra influências magnéticas externas.
Por esta e outras razões, os cientistas acreditam que os materiais antiferromagnéticos poderiam ser uma alternativa mais robusta às tecnologias existentes de armazenamento de base magnética. Um grande obstáculo, no entanto, tem sido como controlar os antiferromagnetos de uma forma que mude de forma confiável o materials de um estado magnético para outro.
“Os materiais antiferromagnéticos são robustos e não são influenciados por campos magnéticos dispersos indesejados”, diz Nuh Gediko Donner Professor de Física do MIT. “No entanto, esta robustez é uma faca de dois gumes; sua insensibilidade a campos magnéticos fracos torna esses materiais difíceis de controlar.”
Usando luz terahertz cuidadosamente ajustada, a equipe do MIT foi capaz de mudar de forma controlada um antiferromagneto para um novo estado magnético. Os antiferromagnetos poderiam ser incorporados em futuros chips de memória que armazenam e processam mais dados, usando menos energia e ocupando uma fração do espaço dos dispositivos existentes, devido à estabilidade dos domínios magnéticos.
“Geralmente, esses materiais antiferromagnéticos não são fáceis de controlar”, diz Gedik. “Agora temos alguns botões para poder afiná-los e ajustá-los.”
Gedik é o autor sênior do novo estudo, que também inclui os coautores do MIT Batyr Ilyas, Tianchuang Luo, Alexander von Hoegen, Zhuquan Zhang e Keith Nelson, juntamente com colaboradores do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Alemanha, Universidade do País Basco na Espanha, Universidade Nacional de Seul e Instituto Flatiron em Nova York.
Desequilibrado
O grupo de Gedik no MIT desenvolve técnicas para manipular materiais quânticos nos quais as interações entre átomos podem dar origem a fenômenos exóticos.
“Em geral, excitamos os materiais com luz para aprender mais sobre o que os mantém fundamentalmente unidos”, diz Gedik. “Por exemplo, por que este materials é um antiferromagneto, e existe uma maneira de perturbar as interações microscópicas de tal forma que ele se transforme em um ferromagneto?”
Em seu novo estudo, a equipe trabalhou com FePS3 — um materials que faz a transição para uma fase antiferromagnética a uma temperatura crítica de cerca de 118 kelvins (-247 graus Fahrenheit).
A equipe suspeitou que poderia controlar a transição do materials sintonizando suas vibrações atômicas.
“Em qualquer sólido, você pode imaginá-lo como diferentes átomos que são organizados periodicamente, e entre os átomos existem pequenas molas”, explica von Hoegen. “Se você puxasse um átomo, ele vibraria em uma frequência característica que normalmente ocorre na faixa dos terahertz.”
A maneira como os átomos vibram também está relacionada à forma como seus spins interagem entre si. A equipe concluiu que se pudessem estimular os átomos com uma fonte de terahertz que oscila na mesma frequência que as vibrações coletivas dos átomos, chamadas fônons, o efeito também poderia desviar os spins dos átomos de seu alinhamento perfeitamente equilibrado e alternado magneticamente. Uma vez desequilibrados, os átomos deveriam ter spins maiores em uma direção do que na outra, criando uma orientação preferida que mudaria o materials inerentemente não magnetizado para um novo estado magnético com magnetização finita.
“A ideia é que você pode matar dois coelhos com uma cajadada só: você excita as vibrações terahertz dos átomos, que também se acoplam aos spins”, diz Gedik.
Agite e escreva
Para testar esta ideia, a equipe trabalhou com uma amostra de FePS3 que foi sintetizado por colegas da Universidade Nacional de Seul. Eles colocaram a amostra em uma câmara de vácuo e a resfriaram a temperaturas iguais ou inferiores a 118 Ok. Eles então geraram um pulso de terahertz direcionando um feixe de luz infravermelha próxima através de um cristal orgânico, que transformou a luz nas frequências de terahertz. Eles então direcionaram essa luz terahertz para a amostra.
“Esse pulso de terahertz é o que usamos para criar uma mudança na amostra”, diz Luo. “É como ‘escrever’ um novo estado na amostra.”
Para confirmar que o pulso desencadeou uma mudança no magnetismo do materials, a equipe também apontou dois lasers infravermelhos próximos para a amostra, cada um com uma polarização round oposta. Se o pulso terahertz não tivesse efeito, os pesquisadores não deveriam ver nenhuma diferença na intensidade dos lasers infravermelhos transmitidos.
“O simples facto de ver a diferença já nos diz que o materials já não é o antiferromagneto unique e que estamos a induzir um novo estado magnético, utilizando essencialmente a luz terahertz para agitar os átomos”, diz Ilyas.
Ao longo de repetidas experiências, a equipa observou que um impulso de terahertz mudou com sucesso o materials anteriormente antiferromagnético para um novo estado magnético – uma transição que persistiu por um tempo surpreendentemente longo, durante vários milissegundos, mesmo depois de o laser ter sido desligado.
“As pessoas já viram essas transições de fase induzidas pela luz em outros sistemas, mas normalmente elas vivem por períodos muito curtos, da ordem de um picossegundo, que é um trilionésimo de segundo”, diz Gedik.
Em apenas alguns milissegundos, os cientistas poderão agora ter uma janela de tempo decente durante a qual poderão sondar as propriedades do novo estado temporário antes de este regressar ao seu antiferromagnetismo inerente. Então, eles poderão identificar novos botões para ajustar os antiferromagnetos e otimizar seu uso em tecnologias de armazenamento de memória de próxima geração.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais, Escritório de Ciências Básicas de Energia e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
