Pela primeira vez, os físicos conseguiram imagens de ordenação magnética espiral em um material multiferróico. Esses materiais são considerados candidatos altamente promissores para futuras mídias de armazenamento de dados. Os pesquisadores conseguiram provar suas descobertas usando sensores quânticos exclusivos que foram desenvolvidos na Universidade de Basel e que podem analisar campos eletromagnéticos em escala nanométrica. Os resultados - obtidos por cientistas do Departamento de Física da Universidade de Basel, o Swiss Nanoscience Institute, a Universidade de Montpellier e vários laboratórios da Universidade Paris-Saclay — foram publicados recentemente na revista Natureza .

Multiferroics são materiais que reagem simultaneamente a campos elétricos e magnéticos. Essas duas propriedades raramente são encontradas juntas, e seu efeito combinado torna possível alterar a ordem magnética de materiais usando campos elétricos.

Isso oferece um potencial particular para novos dispositivos de armazenamento de dados:materiais multiferróicos podem ser usados ​​para criar mídia de armazenamento magnético em nanoescala que pode ser decifrada e modificada usando campos elétricos.

A mídia magnética desse tipo consumiria muito pouca energia e operaria em velocidades muito altas. Eles também podem ser usados ​​na spintrônica - uma nova forma de eletrônica que usa o spin dos elétrons e também a carga elétrica.

Ordenação magnética espiral

A ferrita de bismuto é um material multiferróico que exibe propriedades elétricas e magnéticas mesmo em temperatura ambiente. Embora suas propriedades elétricas tenham sido estudadas em profundidade, não havia nenhum método adequado para representar a ordenação magnética na escala nanométrica até agora.

O grupo liderado pelo professor Patrick Maletinsky de Georg-H.-Endress, do Instituto Suíço de Nanociência e do Departamento de Física da Universidade de Basel, desenvolveu sensores quânticos baseados em diamantes com centros de vacância de nitrogênio. Isso permitiu a eles, em colaboração com colegas da Universidade de Montpellier e da Universidade Paris-Saclay na França, para descrever e estudar a ordem magnética de um filme fino de ferrita de bismuto pela primeira vez, como eles relatam em Natureza .

Saber como os spins do elétron se comportam e como o campo magnético é ordenado é de crucial importância para a futura aplicação de materiais multiferróicos como armazenamento de dados.

Os cientistas foram capazes de mostrar que a ferrita de bismuto exibe um ordenamento magnético em espiral, com dois spins de elétrons sobrepostos (mostrados em vermelho e azul na imagem) adotando orientações opostas e girando no espaço, ao passo que se supunha anteriormente que essa rotação ocorria dentro de um plano. De acordo com os pesquisadores, os sensores quânticos agora mostram que uma ligeira inclinação nesses spins opostos leva à rotação espacial com uma ligeira torção.

"Nossos sensores quânticos de diamante permitem não apenas análises qualitativas, mas também quantitativas. Isso significa que fomos capazes de obter uma imagem detalhada da configuração de spin em multiferróicos pela primeira vez, "explica Patrick Maletinsky." Estamos confiantes de que isso abrirá o caminho para avanços na pesquisa desses materiais promissores. "

Vagas com propriedades especiais

Os sensores quânticos que eles usaram consistem em dois minúsculos diamantes monocristalinos, cujas redes cristalinas têm uma vaga e um átomo de nitrogênio em duas posições vizinhas. Esses centros de vacância de nitrogênio contêm elétrons em órbita cujos spins respondem muito sensivelmente a campos elétricos e magnéticos externos, permitindo que as imagens dos campos tenham uma resolução de apenas alguns nanômetros.

Cientistas da Universidade de Montpellier fizeram as medições magnéticas usando os sensores quânticos produzidos em Basel. As amostras foram fornecidas por especialistas do laboratório CNRS / Thales da Universidade Paris-Saclay, que são líderes no campo da pesquisa da ferrita de bismuto.

Sensores quânticos para o mercado

Os sensores quânticos usados ​​na pesquisa são adequados para estudar uma ampla gama de materiais, uma vez que fornecem dados qualitativos e quantitativos precisamente detalhados, tanto à temperatura ambiente como a temperaturas próximas do zero absoluto.

Para disponibilizá-los a outros grupos de pesquisa, Patrick Maletinsky fundou a start-up Qnami em 2016 em colaboração com o Dr. Mathieu Munsch. Qnami produz os sensores de diamante e fornece conselhos de aplicação para seus clientes de pesquisa e indústria.