Inspirado por Einstein e De Haas: Cientistas descobrem movimento ultrarrápido incomum em materiais magnéticos em camadas

Jun 14, 2023

Por Argonne National Laboratory 7 de agosto de 2023

Tapete atômico movido por giros embaralhados. O cisalhamento das camadas atômicas no trissulfeto de fósforo e ferro em camadas é causado pelo embaralhamento do spin do elétron após a exposição ao pulso de luz. Giros ordenados à esquerda; giros mexidos à direita. Crédito: Imagem do Argonne National Laboratory

Técnicas de imagem ultrarrápidas de ponta revelaram movimentos mecânicos ultrarrápidos ligados a uma mudança no estado magnético em um material em camadas. Este efeito magnético intrigante pode ter aplicações em nanodispositivos que requerem controle de movimento rápido e ultrapreciso.

Um clipe de papel de metal comum grudará em um ímã. Os cientistas classificam esses materiais que contêm ferro como ferromagnetos. Há pouco mais de um século, os físicos Albert Einstein e Wander de Haas relataram um efeito surpreendente com um ferromagneto. Eles descobriram que quando você suspende um cilindro de ferro em um fio e o expõe a um campo magnético, ele começa a girar se a direção do campo magnético for invertida.

“O experimento de Einstein e de Haas é quase como um show de mágica”, disse Haidan Wen, físico das divisões de Ciência de Materiais e Ciência de Raios X do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Você pode fazer um cilindro girar sem nunca tocá-lo."

“Neste experimento, uma propriedade microscópica, o spin do elétron, é explorada para provocar uma resposta mecânica em um cilindro, um objeto macroscópico.”

— Alfred Zong, Miller Research Fellow at the University of California, BerkeleyLocated in Berkeley, California and founded in 1868, University of California, Berkeley is a public research university that also goes by UC Berkeley, Berkeley, California, or Cal. It maintains close relationships with three DOE National Laboratories: Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Lawrence Livermore National Laboratory." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universidade da California, Berkeley

Na revista científica Nature, uma equipe de pesquisadores de Argonne e de outros laboratórios e universidades nacionais dos EUA relatam agora um efeito análogo, porém diferente, em um "anti"-ferromagneto. Isso poderia ter aplicações importantes em dispositivos que exigem controle de movimento ultrapreciso e ultrarrápido. Um exemplo são os nanomotores de alta velocidade para aplicações biomédicas, como o uso em nanorrobôs para diagnóstico e cirurgia minimamente invasivos.

A diferença entre um ferromagneto e um antiferromagneto tem a ver com uma propriedade chamada spin do elétron. Esse giro tem uma direção. Os cientistas representam a direção com uma seta, que pode apontar para cima ou para baixo ou qualquer direção intermediária. No ferromagneto magnetizado mencionado acima, as setas associadas a todos os elétrons nos átomos de ferro podem apontar na mesma direção, digamos, para cima. Inverter o campo magnético inverte a direção dos spins do elétron. Então, todas as setas estão apontando para baixo. Essa reversão leva à rotação do cilindro.

“Neste experimento, uma propriedade microscópica, o spin do elétron, é explorada para provocar uma resposta mecânica em um cilindro, um objeto macroscópico”, disse Alfred Zong, pesquisador da Miller na Universidade da Califórnia, Berkeley.

Nos antiferromagnetos, em vez dos spins dos elétrons apontarem para cima, por exemplo, eles alternam de cima para baixo entre os elétrons adjacentes. Esses spins opostos se cancelam e, portanto, os antiferromagnetos não respondem às mudanças no campo magnético como os ferromagnetos.

“A pergunta que nos perguntamos é: o spin do elétron pode provocar uma resposta em um antiferromagneto que seja diferente, mas semelhante em espírito, àquela da rotação do cilindro no experimento de Einstein-de Hass?” Wen disse.

Para responder a essa pergunta, a equipe preparou uma amostra de trissulfeto de ferro e fósforo (FePS3), um antiferromagneto. A amostra consistia em múltiplas camadas de FePS3, com cada camada tendo apenas alguns átomos de espessura.

“Unlike a traditional magnet, FePS3 is special because it is formed in a layered structure, in which the interaction between the layers is extremely weak,” said Xiaodong Xu, professor of physics and materials science at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"University of Washington./p>

“This scrambling in electron spin leads to a mechanical response across the entire sample. Because the interaction between layers is weak, one layer of the sample is able to slide back and forth with respect to an adjacent layer,” explained Nuh Gedik, professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"MIT)./p>

“The pivotal discovery in our current research was finding a link between electron spin and atomic motion that is special to the layered structure of this antiferromagnet,” Zong said. ​“And because this link manifests at such short time and tiny length scales, we envision that the ability to control this motion by changing the magnetic field or, alternatively, by applying a tiny strain will have important implications for nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale devices.”/p>