Uma equipe de cientistas descobriu uma nova maneira de transformar o calor ambiente em movimento em dispositivos em nanoescala - uma descoberta que pode abrir novas possibilidades para o armazenamento de dados, sensores, nanomotores e outras aplicações no mundo cada vez menor da eletrônica.

Em um novo artigo publicado hoje na revista Materiais da Natureza , uma equipe internacional de pesquisadores de vários institutos, incluindo a University of Glasgow e a University of Exeter no Reino Unido, bem como do ETH Zurich e do Paul Scherrer Institute na Suíça, descrever como eles criaram um sistema magnético capaz de extrair energia térmica em nanoescala, usando o conceito de uma engrenagem conhecida como catraca, e transformar a energia magnética na rotação direcionada da magnetização.

A catraca térmica foi realizada em um material conhecido como 'gelo artificial de spin, "feito de um conjunto de minúsculos nanoímãs de Permalloy, uma liga de níquel-ferro. Os nanoímãs individuais têm apenas 470 nanômetros de comprimento (ou cerca de 200 vezes menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano) e 170 nanômetros de largura, com apenas um único domínio magnético; isso é, a magnetização só pode apontar em uma das duas direções ao longo do eixo do ímã. Depois de usar um campo magnético externo para definir a magnetização em uma determinada direção, , os pesquisadores observaram que a magnetização girava em apenas uma das duas direções possíveis, sem uma razão óbvia para que uma forma deva ser preferida à outra.

Sebastian Gliga, o principal autor do estudo e Marie Curie Research Fellow da Universidade de Glasgow, relembra:"O sistema que estudamos é um gelo artificial de spin, uma classe de materiais magnéticos geometricamente frustrados.

"Ficamos surpresos ao ver que a geometria das interações pode ser adaptada para atingir um material ativo que exibe quiralidade dinâmica e, portanto, atua como uma catraca." Quiralidade significa que um objeto parece diferente de sua imagem no espelho, como nossas mãos esquerda e direita. A quiralidade também pode ocorrer em movimento:o exemplo mais conhecido é o rattleback, um topo em forma de barco que prefere girar em uma única direção.

O professor Robert Stamps, da Universidade de Manitoba (anteriormente na Universidade de Glasgow), destacou que são as propriedades das bordas da montagem que determinam o comportamento da catraca térmica. "Suspeitamos desde o início que os limites afetariam fortemente a ordem magnética e a dinâmica."

Foi essa ideia e proposta da geometria do Prof. Stamps que acabou gerando o intrigante comportamento medido pelos pesquisadores.

O mecanismo que levou ao comportamento observado não era óbvio, Contudo, e é somente por meio da modelagem numérica que o papel preciso das arestas se torna claro. De acordo com o professor Gino Hrkac, segundo autor do relatório, da University of Exeter e Royal Society Research Fellow, "Tentamos entender por algum tempo como o sistema funcionava antes de percebermos que as bordas criavam um potencial de energia assimétrico." Essa assimetria é refletida na distribuição do campo magnético nos limites da matriz de nanoímãs e faz com que a magnetização gire em uma direção preferida.

Para visualizar a evolução do estado magnético do sistema, os cientistas usaram raios-x e o chamado efeito dicróico circular magnético de raios-x. As medições foram realizadas na fonte de luz síncrotron Swiss Light Source no Instituto Paul Scherrer na Suíça e na Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory nos Estados Unidos.

De acordo com a professora Laura Heyderman do Instituto ETH Zurich e Paul Scherrer:"Gelo artificial tem sido usado principalmente para responder a questões científicas, por exemplo, no que diz respeito à física da frustração. Esta é uma boa demonstração de como o gelo artificial pode ser um material funcional e fornece um passo em direção às aplicações. "

Essas descobertas estabelecem uma rota inesperada para transformar a energia magnética no movimento direcionado de magnetização. O efeito agora encontrado nas estruturas magnéticas bidimensionais vem com a promessa de que será de uso prático em dispositivos em nanoescala, como nanomotores magnéticos, atuadores, ou sensores. De fato, porque o momento angular é conservado e o spin é um tipo de momento angular, a mudança no momento magnético do sistema pode, em princípio, induzir uma rotação física do sistema (através do efeito Einstein – de Haas). Ele também pode encontrar aplicações na memória magnética onde os bits podem ser armazenados por meio de aquecimento local com pulsos de laser.

O papel, intitulado "Quiralidade dinâmica emergente em uma catraca giratória artificial termicamente acionada, "é publicado em Materiais da Natureza .