Em um esforço pioneiro de controle, medir e compreender o magnetismo em nível atômico, pesquisadores que trabalham no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriram um novo método para manipular as propriedades em nanoescala de materiais magnéticos.

A capacidade de controlar essas propriedades tem aplicações potenciais na criação e melhoria da memória magnética em dispositivos eletrônicos de consumo, e desenvolver um detector sensível para nanopartículas magnéticas.

A descoberta se concentra em uma propriedade mecânica quântica conhecida como spin, que dota os elétrons com um minúsculo campo magnético. O spin do elétron pode apontar em qualquer uma das duas direções, "Para cima ou para baixo, "assim como o campo magnético que o acompanha. Ao longo dos anos, cientistas se tornaram adeptos de inverter a direção do spin, e portanto, a direção do campo magnético. Mas a nova descoberta tem uma reviravolta inovadora.

Em alguns materiais, como cobalto, os spins dos elétrons vizinhos interagem, fazendo com que todos apontem na mesma direção. Se alguns dos giros forem forçados para longe dessa direção, eles puxam alguns dos giros próximos com eles. Isso faz com que os giros sofram uma torção gradual - no sentido horário ou anti-horário. Em alguns materiais, os spins preferem girar em apenas uma direção.

Uma equipe liderada pelo pesquisador do NIST Samuel Stavis e Andrew Balk, agora no Laboratório Nacional de Los Alamos, encontrou uma maneira de controlar a direção dessa torção em um filme de cobalto com apenas três camadas atômicas de espessura. Além disso, eles poderiam definir essa direção para ser diferente em locais diferentes no mesmo filme de cobalto, e fazê-lo independentemente de outras propriedades magnéticas do metal.

A equipe alcançou essa nova capacidade controlando um efeito conhecido como interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), que impõe uma direção de torção preferencial nas rotações. O DMI normalmente ocorre no limite entre uma película fina de um metal magnético e uma camada de metal não magnético. O elétron gira no filme magnético e interage com átomos no filme não magnético, criando um toque preferencial.

Controlar o DMI pode aumentar a memória magnética, que usa a orientação do giro para armazenar informações. Um dispositivo de memória precisa de dois estados distintos, representando um ou zero - no caso de um disco rígido magnético, elétrons com spin apontando para cima ou para baixo. Para escrever dados, os designers precisam de uma maneira previsível de passar de uma orientação de rotação para outra. Controlar a direção e a quantidade de torção pode permitir que o giro ocorra de forma mais eficiente e confiável do que se a torção fosse aleatória, Balk notas.

O controle do DMI também desempenha um papel fundamental em outro tipo de memória magnética. Se o DMI for forte o suficiente, ele vai torcer spins vizinhos em um padrão de vórtice circular, e poderia criar nós magnéticos exóticos chamados skyrmions. Esses nós semelhantes a partículas podem armazenar informações, e sua existência ou ausência em um filme fino magnético poderia agir de maneira muito semelhante aos uns e zeros dos circuitos lógicos eletrônicos. Regulando o DMI, pesquisadores podem criar skyrmions, que exigiria menos energia para operar do que outros tipos de memória magnética, e deve ser capaz de guiar seu movimento por meio de um material magnético.

Os pesquisadores descrevem seu trabalho em Physical Review Letters.

Em seu experimento, os pesquisadores imprensaram uma fina película de cobalto entre duas camadas de platina, um metal não magnético. Eles então bombardearam a camada tripla com íons de argônio, que explodiu o filme de platina superior e tornou o limite superior entre platina e cobalto, dependendo da energia do íon. Os cientistas descobriram que quando usaram íons de argônio com maior energia, o DMI foi negativo, torcendo os spins do cobalto no sentido anti-horário, e quando eles usaram íons de argônio com energia mais baixa, o DMI foi positivo, e giraria os giros no sentido horário. Quando exposto a íons argônio de energia intermediária, o DMI era zero, tornando igualmente provável que os giros girem no sentido horário ou anti-horário.

Os pesquisadores fizeram sua descoberta enquanto ajustavam as propriedades magnéticas de um filme de cobalto para desenvolver um sensor para nanopartículas magnéticas. Ao fazer isso, a equipe percebeu que havia encontrado uma nova maneira de manipular o DMI.

Como os íons de argônio com energias diferentes podem ser direcionados a regiões específicas dentro do cobalto, os pesquisadores foram capazes de fabricar filmes de cobalto cujo DMI variou ao longo da superfície do material.

"Seis décadas depois que Dzyaloshinskii e Moriya descobriram essa interação, nosso novo processo para controlá-lo espacialmente, independentemente de outras propriedades magnéticas, permitirá novos estudos científicos do DMI e possibilitará a fabricação de novos dispositivos nanomagnéticos, "Balk disse.

Finalmente, os cientistas descobriram que controlar o DMI realmente tornou o filme mais sensível aos campos magnéticos das nanopartículas. Numa data posterior, a equipe planeja publicar trabalhos sobre a aplicação do filme como um sensor de nanopartículas para usuários do NIST Center for Nanoscale Science and Technology, Onde foi realizado o trabalho.