Às vezes, uma boa teoria só precisa de materiais corretos para funcionar. Esse é o caso com as recentes descobertas dos físicos da UT e seus colegas, que projetou um sistema magnético bidimensional que aponta para a possibilidade de dispositivos com maior segurança e eficiência, usando apenas uma pequena quantidade de energia. Explorando uma simetria oculta no material, seus resultados apóiam uma teoria proposta pela primeira vez há 20 anos.

Mantendo o controle sem perder flexibilidade

As pessoas sabem sobre o magnetismo desde os tempos antigos, mas ainda estão aprendendo como ele funciona, especialmente na escala quântica. Em ferromagnetos, átomos e seus vizinhos têm momentos magnéticos (causados ​​pelo spin) que se alinham na mesma direção. Podemos controlar facilmente essa direção por um campo magnético externo. Em antiferromagnetos, Contudo, os momentos magnéticos se anti-alinham com seus vizinhos e se alternam um a um. Este alinhamento de spin microscópico protege perfeitamente qualquer campo magnético externo e está oculto do mundo exterior. Antiferromagnetos foram descobertos por Louis Néel em 1948, mas foram descritos em sua palestra no Nobel de 1970 como sendo teoricamente interessantes, mas tecnologicamente inúteis.

Jian Liu, professor assistente de física, explicou que geralmente os spins em um antiferroímã podem girar da maneira que quiserem, desde que o anti-alinhamento seja mantido. Mas, se a interação entre os átomos é anistrópica, "dará ao giro uma certa direção preferencial." Esta é a interação DM (Dzyaloshinskii-Moriya) originada do efeito relativístico, e Liu explicou que faz duas coisas. Primeiro, ele inclina (ou inclina) os giros ligeiramente para longe do anti-alinhamento perfeito, o que é bom porque isso significa que um campo magnético externo não será completamente blindado e pode se acoplar aos spins inclinados, mesmo que estejam cambaleantes. Há uma troca, Contudo, enquanto essa interação permite canting, ele fixa a direção.

"Então você está ganhando algum controle, "Liu disse, "mas você também está perdendo alguma flexibilidade. E isso equilibra."

Para contornar este problema, ele e uma equipe de pesquisadores exploraram uma simetria de spin oculta:SU (2).

"SU (2) é na verdade uma terminologia que teóricos e matemáticos usam na teoria dos grupos, "Liu disse." O que isso significa é que o spin é isotrópico - ele pode apontar em qualquer direção que você quiser. "

Ainda como, exatamente, esta simetria está escondida?

Liu disse que está se escondendo se você olhar as coisas apenas em uma escala local.

"Por exemplo, se você se sentar em uma rotação, e você olha em volta, você vê um ambiente muito anisotrópico, "ele explicou." Basicamente, os outros spins - seus vizinhos - estão lhe dizendo que você tem que não conseguir (de uma certa maneira) para ser compatível com eles. Se você olhar em uma escala muito global - se você considerar todos os spins - verifica-se que todo o sistema é perfeitamente isotrópico e preserva essa simetria rotacional.

"Você pode pensar desta forma, " Ele continuou, "centenas de anos atrás, as pessoas achavam que a terra era plana. Isso porque estávamos sentados em uma escala muito local. Pensamos que, se continuarmos a caminhar em uma direção, nunca mais voltaremos ao mesmo ponto. Mas acontece que a terra é uma esfera, então, se você continuar caminhando para o norte em algum ponto, você passa pelo pólo e depois volta. Então, se você olhar para a Terra em uma escala global, você vê que tem simetria rotacional, que você não notaria se estivesse na superfície. "

Adicionando espaço suficiente

O papel dessa simetria global em sistemas antiferromagnéticos foi realmente previsto há duas décadas. Liu disse que embora a teoria fosse fascinante, o material usado para testá-lo não era adequado para a tarefa.

Para seus estudos, ele e seus colegas cultivaram amostras feitas de estrôncio, irídio, e oxigênio (SrIrO3), bem como estrôncio, titânio, e oxigênio (SrTiO3) e, usando deposição de laser pulsado, cresceu-os em uma camada de base de SrTiO3 com apenas um único cristal de espessura. Eles se concentraram em três pontos:a química do material, preservação da simetria, e uma camada adicional crucial. O Iridium provou ser uma escolha importante porque proporcionou uma forte interação com o DM. A estrutura permite a simetria oculta, em grande parte porque a equipe separou as camadas com um "espaçador" de SrTiO3 para que cada camada tivesse suas próprias propriedades bidimensionais.

A inspiração para esta pesquisa veio no ano passado, depois que Liu e outros cientistas publicaram resultados sobre o controle de materiais ultrafinos em Cartas de revisão física . Ele explicou que, uma vez que encontraram uma maneira de separar as camadas para explorar as propriedades bidimensionais intrínsecas, eles perceberam que tinham um material que poderia testar a teoria da simetria.

Sistemas mais seguros; Troca mais rápida

Além da descoberta científica, essas últimas descobertas de pesquisa também apresentam o potencial de controlar o antiferromagnetismo para dispositivos mais seguros e eficientes.

Como Liu explicou, a maioria dos dispositivos magnéticos atuais é baseada em materiais ferromagnéticos.

"Contudo, estamos chegando ao limite do desempenho dos ferromagnetos, "disse ele." Precisamos encontrar outra maneira de superar a barreira técnica. O antiferromagnetismo oferece outra opção. Por exemplo, materiais antiferromagnéticos têm esse spin anti-alinhado. Então, se você olhar para um antiferroímã, não há campo magnético ao seu redor. Na verdade, parece que não é diferente de um material que não é magnético, porque eles se compensam totalmente. "

O que isso significa, Ele continuou, é que não queremos que os bits do disco rígido do nosso computador fiquem muito próximos uns dos outros porque cada bit é um ferromagneto. Isso limita a densidade do armazenamento de informações.

"Agora, se os bits são antiferromagnéticos, eles serão magneticamente invisíveis um para o outro, e você pode embalá-los um ao lado do outro, "ele disse." Essencialmente, a capacidade de armazenamento aumentará dramaticamente. "

Outro possível benefício é a comutação mais eficiente de dispositivos.

Liu disse que mudar os spins para cima e para baixo em ferromagnetics é um processo lento e caro de energia porque temos que girar em torno de seu campo magnético em uma escala macroscópica. Com os spins anti-alinhados em antiferromagnetos sob a simetria oculta, ele disse, "não exibe campo magnético, e só precisamos aplicar um pouco de energia para ligá-lo e desligá-lo ou girá-lo. A quantidade de energia que colocamos no sistema é muito pequena em comparação com a energia de auto-anti-alinhamento, mas os spins ainda respondem instantaneamente, e isso torna o processo de troca muito mais rápido. "

A importância da colaboração e do investimento

Os resultados iniciais foram muito encorajadores, ainda assim, a equipe experimental queria alguma verificação adicional.

"No início, não podíamos acreditar no que vimos porque os efeitos foram muito fortes e a quantidade de energia que você colocou no sistema é um milésimo da (sua) energia interna, "ele explicou." Quase parece bom demais para ser verdade. "

Para validação, eles levaram suas perguntas ao Professor de Física da UT (e Lincoln Chair) Cristian Batista, um teórico em física da matéria condensada.

"Ele nos guiou em todos os detalhes da teoria e veio com a explicação:não apenas qualitativamente, mas quantitativamente, "Liu disse." Ele fez a simulação e descobriu que tudo se encaixava perfeitamente nos requisitos daquela teoria de simetria oculta. "

Os resultados foram publicados em Física da Natureza .