A inversão perfeita de estruturas complexas é de grande importância técnica. Pesquisadores da ETH agora conseguiram transformar a estrutura magnética e elétrica dos materiais em seus opostos usando um único pulso de campo magnético.

Em ambientes desagradavelmente barulhentos, a redução ativa de ruído tem sido usada em fones de ouvido e carros de luxo nos últimos anos. Um microfone capta o ruído perturbador, a partir da qual um chip de computador calcula as contra-medidas apropriadas:ondas sonoras cujas fases são exatamente opostas às do som ambiente. A interferência entre essas ondas apaga efetivamente o ruído. Físicos e engenheiros procuram aplicar este princípio de inversão perfeita a outras tecnologias, por exemplo, à estrutura magnética dos materiais. O professor da ETH Manfred Fiebig e seus colaboradores do Departamento de Materiais de Zurique agora conseguiram fazer exatamente isso, com o apoio de cientistas da Europa, Japão e Rússia. Seus resultados são publicados esta semana na revista científica Natureza .

A equipe de Fiebig usou os chamados multiferroics para seus experimentos. Ao contrário de muitos outros materiais que possuem ordem magnética ou elétrica, multiferróicos possuem ambos:são magneticamente e, ao mesmo tempo, eletricamente polarizado e, como consequência, alinham-se ao longo de campos magnéticos e elétricos. Os mecanismos físicos que geram a ordem magnética e elétrica dentro do material são sutilmente acoplados um ao outro. Isso torna possível influenciar a magnetização usando campos elétricos em vez de campos magnéticos. "Isso é muito mais eficiente, como se precisa de corrente elétrica para criar campos magnéticos, e isso custa muita energia e cria calor residual irritante, "explica Naëmi Leo, um ex-Ph.D. aluno do laboratório da Fiebig. Em computadores, por exemplo, onde os dados são constantemente gravados em discos rígidos magnéticos, multiferróicos podem ser materiais essenciais para economias significativas de energia.

Inspiração nas formas do Tangram

Na ETH, que é líder internacional em pesquisa de multiferróicos há algum tempo, os cientistas levaram essa ideia um passo adiante. "Um material que permite controlar sua magnetização por meio de campos elétricos deve necessariamente ter uma estrutura bastante complexa, "diz Fiebig.

Ele usa o quebra-cabeça do Tangram chinês para ilustrar esse princípio:quanto mais peças disponíveis - triângulos, quadrados e paralelogramos - as formas mais elaboradas são possíveis. No caso de multiferróicos, as formas correspondem às simetrias do material, que determinam suas propriedades físicas. Quanto mais complexas essas simetrias, quanto mais variados são os chamados parâmetros de pedido. Eles descrevem a direção em que os pontos de magnetização dentro de um multiferróico, e como a magnetização está acoplada à ordem elétrica.

Propriedades inesperadas

Se os átomos dentro de um material estão dispostos de uma maneira tão complicada, também é muito provável que tenha outras propriedades que não são óbvias à primeira vista. “É por isso que não queríamos nos limitar aos fenômenos conhecidos e estudados há muito tempo, ao invés disso, tente ver o que outras coisas úteis que os multiferróicos podem fazer, "Fiebig diz, e ilustra sua abordagem de pesquisa:"Como podemos recombinar as peças do quebra-cabeça - isto é, os parâmetros do pedido - de maneiras diferentes daquelas já conhecidas, e assim obter propriedades novas e úteis? "

Essa abertura para o inesperado valeu a pena. Fiebig e seus colegas de trabalho eventualmente encontraram um multiferróico no qual a magnetização geral não é apenas uniformemente orientada por um campo aplicado, como sempre. Claramente, isso apagaria qualquer informação armazenada magneticamente - a distribuição de regiões magnetizadas positiva e negativamente dentro do material. Em vez, eles usaram o campo para inverter a magnetização em cada região individual do material. Regiões positivamente magnetizadas foram, Portanto, se transformou em magnetizados negativamente, e vice versa. As informações magnéticas contidas na disposição das regiões, Contudo, permaneceu intacto no processo. "É como se invertêssemos cada bit de um disco rígido de uma vez, "Fiebig explica." Normalmente, seria necessário reescrever cada bit individualmente, mas podemos fazer isso com um único pulso de campo magnético. "

Inversão de uma só vez

Os pesquisadores da ETH encontraram este equivalente magnético da redução de ruído ativo em um multiferróico composto de cobalto, telúrio e oxigênio. Devido à sua estrutura cristalina complexa, não só esse material pode ser polarizado magnética e eletricamente, mas também pode ter vários parâmetros de ordem que descrevem sua magnetização:um que determina a orientação magnética de uma única região, e outro que "lembra" a forma e a disposição dessas regiões dentro de todo o material.

Usando uma técnica de imagem especializada, por meio do qual a luz laser polarizada é enviada através do cristal e muda sua cor no processo, os pesquisadores puderam tornar o processo de inversão espacialmente visível diretamente.

Como se isso não bastasse, os físicos também foram capazes de realizar uma façanha semelhante com papéis invertidos. Em um multiferróico contendo átomos de manganês, germânio e oxigênio, o campo magnético agora invertido, não a magnetização, mas a polarização elétrica do material. Para os pesquisadores, essa é mais uma prova de que os multiferróicos ainda trazem muitas surpresas. "Provavelmente há muito mais a ser descoberto que nem podemos imaginar hoje, "Fiebig diz.