Ricocheteando nêutrons nos átomos de manganita de ítrio (YMnO ₃ ) aquecido a 3, 000 graus Fahrenheit, pesquisadores descobriram os mecanismos atômicos que dão ao material incomum suas raras propriedades eletromagnéticas. A descoberta pode ajudar os cientistas a desenvolver novos materiais com propriedades semelhantes para novos dispositivos de computação e micro-atuadores.

O experimento foi conduzido como uma colaboração entre a Duke University e o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e apareceu online em Nature Communications em 2 de janeiro, 2018.

Ferromagnetismo é o termo científico para o fenômeno responsável por ímãs permanentes como o ferro. Esses materiais existem porque sua estrutura molecular consiste em minúsculas manchas magnéticas que apontam todas na mesma direção. Cada patch, ou domínio, é dito ter um momento de dipolo magnético, com um pólo norte e um pólo sul, que, somados, produzem os campos magnéticos vistos com tanta frequência em funcionamento nas portas de refrigeradores.

Ferroeletricidade é uma propriedade semelhante, mas mais raro e difícil de conceituar. Da mesma forma que um ímã permanente, um material ferroelétrico consiste em domínios com momentos de dipolo elétrico alinhados uns com os outros. Isso produz um campo elétrico permanente que ocorre naturalmente, como uma coleção de balões microscópicos com uma carga de eletricidade estática de longa duração.

O ítrio manganita é um dos poucos materiais que combina a propriedade ferroelétrica e também a ordenação magnética em temperaturas extremamente baixas. Esta rara combinação apresenta a interessante possibilidade de controlar as propriedades magnéticas do material com eletricidade e vice-versa. Aproveitar essa capacidade poderia permitir que os cientistas criassem computadores mais eficientes com base em estados de quatro dígitos, em vez de apenas os 1s e 0s atuais, invertendo os estados elétrico e magnético, bem como novos tipos de sensores e conversores de energia.

"Esses chamados materiais multiférricos são muito raros, "disse Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais e de física na Duke. "Mas se pudermos entender os mecanismos do que está acontecendo no nível atômico, temos uma chance melhor de projetar e descobrir mais materiais que possibilitem novas tecnologias. "

Como o comportamento ferroelétrico da manganita de ítrio apenas desliga acima de 3000 graus Fahrenheit, os pesquisadores nunca foram capazes de sondar as ondas de vibração atômica que produzem o arranjo desejado de dipolos elétricos microscópicos. Embora as bases moleculares das propriedades ferroelétricas de ítrio manganita tenham sido teorizadas, nunca houve medições diretas para prová-los.

Para determinar como a propriedade surge, os pesquisadores devem sondar as vibrações ondulatórias do empilhamento de átomos no material, que oscilam em frequências de mais de um bilhão de vezes por segundo. Eles também devem fazer isso acima e abaixo da temperatura de comutação ferroelétrica de 3.000 graus, que é uma tarefa difícil, para dizer o mínimo. Mas foi exatamente isso que os pesquisadores fizeram.

"Foi um desafio medir as oscilações atômicas acima de 3000 Fahrenheit, "disse Dipanshu Bansal, um pós-doutorado no grupo de pesquisa Delaire em Duke e o principal autor do estudo. "Requer feixes de nêutrons de alta intensidade, materiais especiais de alta temperatura e um forno de atmosfera controlada aquecendo a amostra no ar para evitar a decomposição da amostra, que de outra forma aconteceria em um forno a vácuo mais padrão. "

Os experimentos envolveram disparar a amostra extremamente quente de manganita de ítrio com nêutrons. Ao detectar onde os nêutrons acabaram após colidir com os átomos da amostra, os pesquisadores puderam determinar onde os átomos estavam e como eles estavam oscilando coletivamente. Existem muito poucos lugares no mundo com esses recursos, e o Oak Ridge National Laboratory, algumas horas de carro de Duke, acontece de hospedar o reator isotópico de alto fluxo e a fonte de nêutrons de espalação, a fonte mais poderosa de feixes de nêutrons do mundo.

Os pesquisadores sondaram o material usando nêutrons em várias energias e comprimentos de onda, dando uma imagem geral de seus comportamentos atômicos. Eles descobriram que acima da temperatura de transição, um certo grupo de átomos estava livre para se mover e vibrar juntos de uma maneira particular. Mas, à medida que o material resfriava e mudava de fase, esses átomos congelaram no arranjo cristalino permanente que é responsável pelas propriedades ferroelétricas.

E para confirmar os resultados dos nêutrons, os pesquisadores também usaram os feixes de raios-X ultrabrilhantes da Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory e realizaram simulações quânticas em grande escala do comportamento atômico com os supercomputadores do National Energy Research Scientific Computing Center do Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Este material nunca foi compreendido em um nível atomístico tão refinado, "disseram Bansal e Delaire." Temos teorias sobre a importância das oscilações atômicas, mas esta é a primeira vez que os confirmamos diretamente. Nossos resultados experimentais permitirão aos pesquisadores refinar teorias e criar melhores modelos desses materiais para que possamos projetar outros ainda melhores no futuro. "