A produção de dispositivos para armazenar ou transmitir informação é uma das aplicações tecnológicas mais frequentes do magnetismo. Um estudo experimental e teórico realizado no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP), no Brasil, descobriu uma forma ultrarrápida de magnetizar a matéria com o mínimo consumo de energia.

Usando uma técnica chamada magnetização pela luz, os pesquisadores magnetizaram uma amostra de seleneto de európio (EuSe) em 50 picossegundos com uma lâmpada de 50 watts localizada a alguns centímetros de distância. Um picossegundo é um trilionésimo de segundo.

Um artigo que descreve o experimento, intitulado "Ultrafast light switching of ferromagnetism in EuSe, "foi publicado recentemente em Cartas de revisão física .

O experimento foi conduzido por André Bohomoletz Henriques, professor titular do IF-USP, e colaboradores com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP.

"Nosso objetivo era encontrar novos mecanismos para alterar o magnetismo dos materiais em uma escala de tempo ultracurta usando apenas luz. A novidade de nossa pesquisa é que ela torna possível uma magnetização muito forte com quantidades muito pequenas de luz, "Disse Henriques.

O processo foi derivado experimentalmente no Laboratório de Magneto-Óptica da Universidade de São Paulo, mas interpretar o fenômeno exigiu um trabalho teórico substancial, envolvendo procedimentos como cálculos de mecânica quântica autoconsistentes e simulações de Monte Carlo, por parte do grupo liderado por Henriques.

A magnetização de um material está associada à ordenação espacial dos spins de suas partículas constituintes. Em um material não magnetizado, os spins de seus átomos (resultantes dos spins de seus elétrons) são desordenados. Como a magnitude do vetor está envolvida, o spin de cada átomo aponta em uma direção arbitrária. Em certas situações, esses giros podem ser ordenados por luz, que, como resultado, pode magnetizar completamente um material inicialmente desordenado. A imagem acima ilustra o processo de magnetização pela luz.

O material escolhido para o experimento foi o seleneto de európio semicondutor (EuSe), em que cada fóton ordenou os spins de 6, 000 elétrons.

"Isso acontece porque quando um fóton interage com um elétron, ele muda um estado que está fortemente localizado no átomo para um estado que se estende a muitos átomos, "Henriques explicou." O resultado é que em um tempo extraordinariamente curto, cerca de 50 picossegundos, todos os átomos ao alcance da função de onda do elétron mudam seus spins para uma direção comum, criando um momento magnético supergigante que se aproxima de 6, 000 magnetos de Bohr. Isso é equivalente ao momento magnético de 6, 000 elétrons com spins apontando todos na mesma direção. O resultado, considerado inesperado e espetacular pelos revisores da Physical Review Letters, foi com um único fóton, conseguimos alinhar os spins de 6, 000 elétrons. "

A rotação é popularmente entendida como a rotação de uma partícula em torno de um eixo, mas essa concepção não corresponde à realidade e serve apenas como representação de uma partícula associada a uma corrente elétrica equivalente a um momento magnético.

As partículas não apenas têm massa inercial e carga elétrica, mas também uma terceira propriedade física chamada spin. Está Propriedade, caracterizado como um vetor (ou seja, uma quantidade física com magnitude e direção), descreve o momento magnético da partícula. Como uma agulha de bússola, que é orientado na direção Norte-Sul pela atração do campo magnético da Terra porque tem um momento magnético, o spin de uma partícula também tende a apontar na direção do campo magnético que atua sobre ela.

"Para magnetizar o seleneto de európio, o fóton deve ter energia suficiente para transferir um elétron de uma órbita muito próxima ao núcleo atômico para uma órbita distante na banda de condução. Como resultado desta transferência, o elétron interage magneticamente com milhares de átomos próximos. A interação entre o momento magnético do elétron e os momentos magnéticos dos átomos próximos alinha todos os seus spins, "disse o pesquisador apoiado pela FAPESP.

Interação anti-ferromagnética

O seleneto de európio foi escolhido devido à sua alta suscetibilidade magnética, o que resulta na forte tendência dos spins do átomo de se alinharem sob o efeito de um campo magnético muito pequeno.

"Além da interação magnética entre o elétron e os átomos de európio, também há interação magnética entre os próprios átomos de európio. A interação entre os primeiros vizinhos é ferromagnética; em outras palavras, favorece o alinhamento na mesma direção. Mas a interação entre os segundos vizinhos é anti-ferromagnética e favorece o alinhamento em direções opostas, "Disse Henriques.

"Essas duas interações quase se cancelam. Na verdade, a interação anti-ferromagnética quase prevalece. Por esta razão, sob condições usuais, o material é encontrado no estado anti-ferromagnético, sem magnetismo. Contudo, qualquer perturbação menor, como a presença de um elétron, pode perturbar este delicado equilíbrio de interações e favorecer o estado ferromagnético, ou seja, o alinhamento de todos os spins no cristal na mesma direção, magnetizando o material quase instantaneamente. "

Existem diferentes formas de interação magnética. A forma mais conhecida é a interação dipolar, que caracteriza a atração entre dois ímãs, mas também há interação de troca, que é muito mais forte e influencia o magnetismo de uma agulha de bússola ou ímã de geladeira.

A interação de troca é de origem eletrostática e constitui um fenômeno quântico derivado do princípio de exclusão de Pauli, que não tem analogia na física clássica. Este processo torna possível a magnetização ultrarrápida pela luz com consumo mínimo de energia.

Embora eles tenham conduzido este estudo estritamente como pesquisa básica, Henriques e sua equipe estão cientes das aplicações tecnológicas potenciais no contexto do rápido avanço da indústria eletrônica. De acordo com editorial publicado em março de 2018 na revista Física da Natureza , a manipulação do magnetismo em materiais anti-ferromagnéticos, como o seleneto de európio, é um campo emergente de pesquisa com potencial promissor para aplicação em dispositivos eletrônicos.