• Home
  • Química
  • Astronomia
  • Energia
  • Natureza
  • Biologia
  • Física
  • Eletrônicos
  • A pesquisa demonstra como pequenas quantidades de tensão podem ser usadas para controlar as propriedades dos materiais

    Aluno de pós-graduação Zhuoliang Ni, que trabalha no laboratório do professor assistente Liang Wu, é o primeiro autor de um novo estudo usando um semicondutor atomicamente fino e como o magnetismo de um material pode ser controlado usando pequenas quantidades de deformação. (Imagem pré-pandêmica). Crédito:Universidade da Pensilvânia

    Uma nova pesquisa sobre um semicondutor atomicamente fino demonstra como o magnetismo de um material pode ser controlado usando pequenas quantidades de deformação. Publicado em Nature Nanotechnology , este estudo fornece informações importantes para aplicações que variam de novos dispositivos spintrônicos a discos rígidos mais rápidos. Esta pesquisa foi conduzida pelo estudante de graduação Zhuoliang Ni e liderada pelo professor assistente Liang Wu em colaboração com Charlie Kane e Eugene Mele da Penn, bem como pesquisadores da Universidade do Tennessee, Knoxville, Texas A&M University, a Universidade de Friburgo, e Oak Ridge National Laboratory.

    O laboratório de Wu concentra-se principalmente em experimentos com materiais topológicos. Mas, com estudos recentes sobre os efeitos fotogalvânicos de duas ligas metálicas e a descoberta de partículas exóticas no monossilicida de cobalto, o artigo mais recente do laboratório sobre trisseleneto de fósforo de manganês (MnPSe3), um material semicondutor, investiga conceitos em torno da simetria, uma característica física ou matemática de um sistema que não muda quando sujeito a certas transformações. A simetria é uma ideia-chave na física, das leis de conservação ao comportamento das partículas, e é fundamental para a compreensão de materiais que podem ser controlados, ou comutável, estados magnéticos como MnPSe3.

    Existem diferentes tipos de ímãs. Para materiais que são ferromagnéticos, todos os elétrons giram na mesma direção e imbuem o material de magnetismo espontâneo que os permite aderir a certos tipos de metais. Em contraste, materiais antiferromagnéticos, como MnPSe3, têm um padrão com um número igual de elétrons com spins para cima e para baixo em um arranjo antiparalelo. Isso cancela seus momentos magnéticos gerais, o que significa que eles não têm um campo externo disperso como materiais ferromagnéticos; Contudo, eles ainda têm elétrons com orientações de spin variadas.

    Os discos rígidos existentes dependem de materiais ferromagnéticos, onde as mudanças nas direções do spin do elétron representam os bits, ou os zeros e uns, que compõem a memória, mas há interesse no desenvolvimento de dispositivos de memória a partir de materiais antiferromagnéticos. Por exemplo, as informações armazenadas em dispositivos ferromagnéticos podem ser perdidas se houver outro campo magnético presente. Esses dispositivos também são limitados na rapidez com que podem operar pelo tempo que leva para mudar um pouco manualmente, na faixa de nanossegundos. Materiais antiferromagnéticos, por outro lado, são capazes de mudar suas orientações de rotação muito mais rapidamente, na faixa de picossegundos, e também são muito menos sensíveis a campos magnéticos externos.

    Mas, embora os materiais antiferromagnéticos tenham algumas vantagens, trabalhando com esse tipo de material, especialmente aquele que é bidimensional, é tecnicamente desafiador, disse Wu. Para estudar este material, Ni e Wu tiveram que primeiro desenvolver uma maneira de medir os sinais de minuto sem fornecer muita energia que danificaria o material atomicamente fino. "Usando um contador de fótons, fomos capazes de reduzir o ruído, "Wu diz." Esse é o avanço técnico que nos tornou capazes de detectar o antiferromagnetismo na monocamada. "

    Usando sua nova abordagem de imagem, os pesquisadores descobriram que podiam "mudar" o material para uma fase antiferromagnética em baixas temperaturas. Eles também descobriram que o material tinha menos estados, semelhantes aos bits usados ​​na memória do computador, que o esperado. Os pesquisadores observaram apenas dois estados, embora, com base em sua simetria rotacional, foi previsto ter seis estados.

    Wu recorreu a Kane e Mele para apresentar uma teoria que pudesse ajudar a explicar esses resultados inesperados, e através desta colaboração percebemos o impacto significativo que a deformação lateral, como alongamento ou cisalhamento, poderia ter em sua simetria. "Uma amostra perfeita tem simetria rotacional tripla, mas se algo está puxando, não é mais o mesmo se você girar 120 °, "diz Kane." Uma vez que Liang sugeriu que poderia haver tensão, era imediatamente óbvio como teórico que dois dos seis domínios deveriam ser escolhidos. "

    Após experimentos de acompanhamento que confirmaram sua hipótese, os pesquisadores também ficaram surpresos com o quão poderosa uma pequena quantidade de deformação pode ser para alterar as propriedades do material. "No passado, as pessoas usaram tensão para mudar a direção do giro, mas, em nosso caso, o importante é que uma pequena quantidade de tensão pode controlar o spin, e isso porque o papel da cepa é realmente fundamental na transição de fase em nosso caso, "Wu disse.

    Com este novo insight, os pesquisadores dizem que este estudo pode ser um ponto de partida para um melhor controle das propriedades antiferromagnéticas usando pequenas mudanças na tensão. A deformação também é uma propriedade muito mais fácil de controlar nesta classe de materiais, que atualmente requer um campo magnético massivo - da ordem de vários tesla - para mudar a direção do spin do elétron e pode ser uma espécie de dial ou botão que pode mudar a ordem magnética, ou o padrão dos spins do elétron.

    "A ausência de campos perdidos em materiais antiferromagnéticos significa que você não tem uma coisa macroscópica que possa usar para manipular o momento, "diz Mele, "Mas há algum grau interno de liberdade que permite que você faça isso acoplando diretamente ao pedido."

    Para estudar mais este material, Ni está trabalhando em vários experimentos complementares. Isso inclui ver se os campos elétricos e pulsos podem mudar a direção do giro e avaliar o uso de pulsos de terahertz, a frequência ressonante natural de materiais antiferromagnéticos, no controle da direção do spin do elétron e da velocidade de comutação. "Podemos usar terahertz para controlar os giros, "Ni diz sobre este sistema, que também é um regime de especialização para o laboratório de Wu. "Terahertz é muito mais rápido do que gigahertz, e para os spins antiferromagnéticos, é possível que possamos usar terahertz para controlar a comutação ultrarrápida de um estado para outro. "

    "Os materiais antiferromagnéticos fornecem novas oportunidades interessantes para a criação de dispositivos spintrônicos mais rápidos para processamento de informações, bem como novas maneiras de geração eficiente de radiação terahertz, que é a parte do espectro eletromagnético para além das comunicações sem fio 5G, "diz Joe Qiu, gerente de programa de Eletrônica de Estado Sólido e Eletromagnetismo no Gabinete de Pesquisa do Exército, que financiou este estudo. "Todas essas são tecnologias importantes para os futuros sistemas eletrônicos do Exército."


    © Ciência https://pt.scienceaq.com