Uma nova descoberta experimental, liderado por pesquisadores da Universidade de Minnesota, demonstra que o elemento químico rutênio (Ru) é o quarto elemento a ter propriedades magnéticas exclusivas em temperatura ambiente. A descoberta pode ser usada para melhorar os sensores, dispositivos na indústria de memória e lógica de computador, ou outros dispositivos que usam materiais magnéticos.

O uso de ferromagnetismo, ou o mecanismo básico pelo qual certos materiais (como o ferro) formam ímãs permanentes ou são atraídos por ímãs, remonta aos tempos antigos, quando a magnetita era usada para navegação. Desde então, apenas três elementos da tabela periódica foram considerados ferromagnéticos à temperatura ambiente - ferro (Fe), cobalto (Co), e níquel (Ni). O elemento de terra rara gadolínio (Gd) quase falha por apenas 8 graus Celsius.

Os materiais magnéticos são muito importantes na indústria e na tecnologia moderna e têm sido usados ​​para estudos fundamentais e em muitas aplicações diárias, como sensores, motores elétricos, geradores, mídia de disco rígido, e, mais recentemente, memórias spintrônicas. Como o crescimento da película fina melhorou nas últimas décadas, o mesmo ocorre com a capacidade de controlar a estrutura das redes cristalinas - ou mesmo as estruturas de força que são impossíveis na natureza. Este novo estudo demonstra que Ru pode ser o quarto material ferromagnético de um único elemento, usando filmes ultrafinos para forçar a fase ferromagnética.

Os detalhes de seu trabalho estão publicados na edição mais recente da Nature Communications . O autor principal do artigo é um recente Ph.D. da Universidade de Minnesota. graduado Patrick Quarterman, que é bolsista de pós-doutorado do National Research Council (NRC) no National Institute of Standards and Technology (NIST).

"O magnetismo é sempre incrível. Ele se prova novamente. Estamos animados e gratos por ser o primeiro grupo a demonstrar experimentalmente e adicionar o quarto elemento ferromagnético à temperatura ambiente à tabela periódica, "disse o professor de engenharia elétrica e de computação Robert F. Hartmann da Universidade de Minnesota, Jian-Ping Wang, o autor para correspondência do artigo e o conselheiro de Quarterman.

"Este é um problema empolgante, mas difícil. Levamos cerca de dois anos para encontrar uma maneira certa de cultivar este material e validá-lo. Este trabalho irá estimular a comunidade de pesquisa magnética a examinar os aspectos fundamentais do magnetismo para muitos elementos conhecidos, "Wang acrescentou.

Outros membros da equipe também destacaram a importância desse trabalho.

"A capacidade de manipular e caracterizar a matéria em escala atômica é a pedra angular da moderna tecnologia da informação, "disse o co-autor do estudo Paul Voyles, um professor Beckwith-Bascom e presidente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Wisconsin-Madison. "Nossa colaboração com o grupo do professor Wang da Universidade de Minnesota mostra que essas ferramentas podem encontrar coisas novas, mesmo nos sistemas mais simples, consistindo em um único elemento. "

Os parceiros da indústria concordam que a colaboração é a chave para a inovação

"A Intel está satisfeita com a colaboração de pesquisa de longo prazo que tem com a Universidade de Minnesota e o C-SPIN [Center for Spintronic Materials, Interfaces, e novas arquiteturas], disse Ian A. Young, Membro Sênior e Diretor da Intel Corporation. "Estamos entusiasmados em compartilhar esses desenvolvimentos possibilitados pela exploração do comportamento dos efeitos quânticos nos materiais, que pode fornecer insights para dispositivos inovadores de lógica e memória com eficiência energética ”. Outros líderes da indústria concordam que esta descoberta terá um impacto na indústria de semicondutores.

"Dispositivos spintrônicos são de importância cada vez maior para a indústria de semicondutores, "disse Todd Younkin, o diretor dos consórcios patrocinados pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) na Semiconductor Research Corporation (SRC). "Avanços fundamentais em nossa compreensão dos materiais magnéticos, como os demonstrados neste estudo pelo professor Wang e sua equipe, é fundamental para a realização de avanços contínuos em desempenho e eficiência de computação. "

Novas tecnologias requerem novos materiais

A gravação magnética ainda é o jogador dominante na tecnologia de armazenamento de dados, mas a memória de acesso aleatório com base magnética e a computação estão começando a tomar seu lugar. Essas memórias magnéticas e dispositivos lógicos colocam restrições adicionais nos materiais magnéticos, onde os dados são armazenados e calculados, em comparação com materiais magnéticos de mídia de disco rígido tradicionais. Este impulso para novos materiais levou a um interesse renovado nas tentativas de realizar previsões que mostram que, nas condições certas, materiais não ferromagnéticos, como Ru, paládio (Pd) e ósmio (Os) podem se tornar ferromagnéticos.

Com base nas previsões teóricas estabelecidas, pesquisadores da Universidade de Minnesota usaram a engenharia da camada de sementes para forçar a fase tetragonal do Ru, que prefere ter uma configuração hexagonal, e observou o primeiro caso de ferromagnetismo em um único elemento à temperatura ambiente. A estrutura cristalina e as propriedades magnéticas foram amplamente caracterizadas em colaboração com o Centro de Caracterização da Universidade de Minnesota e colegas da Universidade de Wisconsin.

Os pesquisadores disseram que este estudo abre a porta para estudos fundamentais deste novo Ru ferromagnético. Do ponto de vista do aplicativo, Ru é interessante porque é resistente à oxidação, e previsões teóricas adicionais afirmam que ele tem uma alta estabilidade térmica - um requisito vital para dimensionar memórias magnéticas. O exame dessa alta estabilidade térmica é o foco de pesquisas em andamento na Universidade de Minnesota.