Materiais magnéticos que formam estruturas helicoidais - formas enroladas comparáveis ​​a uma escada em espiral ou as fitas de dupla hélice de uma molécula de DNA - ocasionalmente exibem um comportamento exótico que pode melhorar o processamento de informações em discos rígidos e outros dispositivos digitais.

Uma equipe de pesquisa da Colorado State University está usando nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para estudar um desses materiais, Fe3PO7. Embora as estruturas helicoidais sejam normalmente formadas por momentos magnéticos que se enrolam em torno de um eixo em uma direção definida, os pesquisadores descobriram que o Fe3PO7 não escolhe uma direção específica e permite que apenas estruturas helicoidais de curto alcance se formem. Essas estruturas podem fornecer novas capacidades tecnológicas.

"Porque a direção da hélice varia no espaço, tem o que chamamos de ordem parcial, o que significa que não há direção definida para o eixo helicoidal apontar, "disse a professora assistente Kate Ross, que também é ex-presidente do grupo de usuários SNS-HFIR do ORNL.

Ao determinar a estrutura magnética de Fe3PO7 usando o instrumento Difratômetro de Quatro Círculos, linha de luz HB-3A no Reator Isotópico de Alto Fluxo (HFIR) do ORNL, os pesquisadores esperam identificar os fatores subjacentes que contribuem para essa estrutura magnética helicoidal incomum. Os nêutrons têm seu próprio "spin" (um momento intrínseco), tornando-os sensíveis ao magnetismo dentro dos materiais, o que significa que são a ferramenta ideal para a tarefa.

A pequena amostra de cristal da equipe é antiferromagnética, o que significa que cada spin na rede atômica tenta enfrentar na direção oposta de seu spin vizinho. Contudo, Fe3PO7 forma uma rede baseada em unidades triangulares que torna este arranjo impossível, resultando em um impasse atômico denominado "frustração". Essas qualidades-chave podem informar a investigação da equipe sobre a estrutura magnética não convencional.

"Achamos que existe uma possibilidade interessante que poderia explicar a ordem helicoidal parcial e as correlações de curto alcance deste material, ambos os quais são incomuns de se ver em um material de estado sólido, "Ross disse.

Este fenômeno pode ser causado por regiões torcidas de magnetização chamadas "skyrmions" que interrompem os padrões de spin magnético. De acordo com Ross, esses antiferromagnéticos, defeitos "semelhantes aos do ouriço" podem avançar no campo da spintrônica, que envolve a manipulação do spin do elétron para melhorar o armazenamento de informações magnéticas e outras aplicações.

Depois de analisar seus dados, os pesquisadores planejam realizar estudos adicionais focados na dinâmica do Fe3PO7 para confirmar esse cenário.

Ross estudou magnetismo frustrado desde seus anos de graduação, e o assunto continua a fasciná-la e inspirá-la até hoje. Ela descreve sua equipe como exploradores em busca de fases magnéticas interessantes que muitas vezes chegam a conclusões inesperadas.

"Isso é o que realmente me mantém interessado em fazer esse tipo de projeto, "ela disse." Você pode seguir em uma direção com base em uma boa ideia e então ser desviado para aprender sobre algo totalmente diferente. "