Os pesquisadores mostram que podem magnetizar um antiferromagneto usando luz terahertz, ativando o estado um milhão de vezes mais rápido do que é possível para outros estados magnéticos.
Adam Glanzman
Usando luz terahertz cuidadosamente ajustada, os pesquisadores magnetizaram de forma controlada um antiferromagneto.
Adam Glanzman
Usando luz terahertz cuidadosamente ajustada, os pesquisadores magnetizaram de forma controlada um antiferromagneto.
Os antiferromagnetos são feras complicadas. Por um lado, os investigadores adoram-nos porque a magnetização líquida zero dos materiais é robusta contra campos magnéticos dispersos, o que significa que os materiais podem ser utilizados como escudos magnéticos altamente estáveis. Por outro lado, os pesquisadores os odeiam porque a magnetização líquida zero dos materiais torna extremamente difícil manipular as propriedades magnéticas de um antiferromagneto. Agora, Nuh Gedik, do MIT, e sua equipe demonstraram uma maneira de usar a luz para quebrar a robustez magnética de um antiferromagneto (1). A equipe mostrou que um pulso de luz terahertz pode ativar rapidamente um estado magnético de longa duração em um antiferromagneto, abrindo uma direção potencial para futuros dispositivos de armazenamento magnético.
Num antiferromagneto os spins dos átomos vizinhos apontam em direções opostas. Se a magnitude de cada spin for a mesma – como geralmente é o caso – esse alinhamento antiparalelo resulta em uma magnetização líquida zero, já que os campos magnéticos dos spins para cima e para baixo se cancelam. O alinhamento dos spins é muito robusto à perturbação de campos magnéticos dispersos, tornando os antiferromagnetos um candidato potencial para futuros dispositivos de armazenamento de informações. Mas para atingir esse objetivo, os pesquisadores precisam de uma maneira de controlar de forma confiável o estado magnético dos antiferromagnetos, para os quais faltavam métodos anteriormente. “A ausência de magnetização líquida é uma bênção e uma maldição”, diz Gedik.
Em seus experimentos, os pesquisadores iluminaram uma película de trissulfeto de fósforo e ferro antiferromagneto com pulsos de luz terahertz. A frequência da luz foi sintonizada para um modo de vibração de baixa energia dos átomos, permitindo à equipe alterar as posições dos átomos uns em relação aos outros. A equipe mostrou que esse empurrão aproxima os giros para cima e os afasta para baixo.
Sondando as propriedades magnéticas durante este processo de mudança, a equipe descobriu que magnetizava uma região da amostra. Este estado magnético metaestável durou 2,5 milissegundos (ms), uma vida útil relativamente longa para tal estado. (As transições de fase induzidas pela luz em sistemas semelhantes já duraram alguns picossegundos, um bilhão de vezes mais curtos do que os milissegundos alcançados por Gedik e sua equipe.)
A explicação para esta magnetização induzida pela luz está relacionada às flutuações nos alinhamentos de spin. Quando os spins ascendentes são aproximados pela iluminação, eles interagem mais fortemente e flutuam menos, tornando maior o seu alinhamento médio no tempo. O oposto ocorre para os spins descendentes: interações mais fracas, mais flutuações e alinhamento com média de tempo menor. O resultado é uma magnetização líquida, uma vez que os alinhamentos gerais dos giros para cima e para baixo não se equilibram mais.
O estado de magnetização líquida também parece estar acoplado à transição de fase antiferromagnética do trissulfeto de ferro e fósforo antiferromagnético – a transição onde a ordenação antiparalela do trissulfeto de ferro e fósforo se divide em uma orientação aleatória de spins. Os pesquisadores descobriram que o estado magnético period mais pronunciado à medida que aumentavam a temperatura até onde ocorre essa transição. Gedik diz que este efeito parece vir de um acoplamento da mudança induzida pela luz no arranjo dos spins às flutuações induzidas pela transição de fase no alinhamento dos spins. Este acoplamento pode tornar os spins mais propícios à mudança para o estado magnético.
Além da vida útil do estado, os pesquisadores mediram o tempo que leva para ativar o estado magnético. Eles descobriram um tempo de comutação de cerca de um picossegundo, 6 ordens de magnitude mais rápido do que a maioria dos dispositivos de armazenamento magnético atuais, que usam sinais elétricos para “inverter” a magnetização em um materials magnético. “O estado é rápido e lento ao mesmo tempo”, diz Tianchuang “Michael” Luo, do MIT, que trabalhou neste estudo com Gedik. “O fato de podermos ativar rapidamente esse estado muito estável é emocionante porque pode nos permitir armazenar informações nele por um longo tempo”, diz ele.
A longa vida do Estado também abre a porta para uma melhor compreensão das propriedades do Estado. Por exemplo, 2 ms podem ser suficientes para fazer medições elétricas do sistema, algo que não é possível para estados de vida mais lenta. “Dois milissegundos é como uma eternidade”, diz Gedik.
Outros pesquisadores demonstraram efeitos induzidos pela luz em antiferromagnetos, mas não com o controle mostrado pela equipe de Gedik. Na maioria dos estudos anteriores, a luz acoplou-se tanto aos electrões dos átomos como aos seus spins. “A luz afetou todas as propriedades do materials”, diz Batyr Ilyas, do MIT, que também trabalhou neste estudo. A equipe conseguiu atingir apenas as propriedades magnéticas – um nível de controle possibilitado pelo uso da luz terahertz que interagia apenas com os spins (através do mecanismo de empurrão dos átomos).
“Este é um experimento bem projetado, apoiado por simulações e modelagem para revelar como pulsos intensos de terahertz podem modificar propriedades emergentes em sólidos”, diz Richard Averitt, que estuda as propriedades ópticas e eletrônicas de materiais quânticos na Universidade da Califórnia, em San Diego. . Para Averitt, a ideia de que as flutuações melhoram a estabilidade da fase foto-induzida também é particularmente digna de nota, pois poderia ser usada para manipular uma série de outros materiais quânticos contemporâneos. “A ideia de usar a luz para explorar e controlar ou modificar a complexa paisagem energética da matéria quântica é muito excitante, com potencial significativo para novas descobertas.”
Uma degeneração quântica que leva o nome de um ioiô chinês aumenta o tempo de vida da magnetização de uma cadeia curta de átomos magnéticos de ferro por um fator de 1.000. Leia mais »
