Multiferroics são considerados materiais milagrosos para armazenamento de dados futuro - desde que suas propriedades especiais possam ser preservadas em temperaturas de operação do computador. Esta tarefa já foi realizada por pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI, com colegas do Institut Laue-Langevin ILL em Grenoble. Com isso, eles levaram esses materiais um passo mais perto de aplicações práticas. O uso de multiferróicos é uma promessa para computadores mais eficientes em termos de energia porque um campo elétrico seria suficiente para o armazenamento de dados magnéticos. Para produzir isso, muito menos energia e resfriamento são necessários do que com o armazenamento magnético convencional. Os multiferróicos combinam propriedades magnéticas e elétricas para formar um material extremamente raro. A maioria desses materiais exibe essas duas propriedades apenas em temperaturas bem abaixo do ponto de congelamento. Para manter as propriedades magnéticas estáveis ​​mesmo a cem graus, os pesquisadores empregaram um truque. Eles usaram átomos menores do que aqueles empregados em investigações anteriores, tornando o material mais compacto. Isso foi o suficiente para tornar sua estrutura resistente ao calor e preservar suas propriedades magnéticas essenciais. Os pesquisadores publicaram seus resultados hoje na revista. Avanços da Ciência .

Os computadores geralmente funcionam continuamente, consumindo muitos quilowatts-hora de eletricidade por ano. A maioria deles é usada para armazenamento de dados. Os dados são gravados em discos rígidos como bits magnéticos em um estado 0 ou 1, um processo que requer uma inversão contínua de polaridade de mais para menos e vice-versa. Esta inversão do pólo magnético consome muita energia, e leva à liberação de calor severa. É por isso que os computadores precisam ser resfriados intensamente enquanto estão operando. Isso requer muita eletricidade, custos elevados e não é amigo do ambiente. Os cientistas há muito tempo procuram um material que elimine esta desvantagem do armazenamento convencional de dados magnéticos.

Por alguns anos, os chamados multiferróicos magnetoelétricos têm despertado o interesse de pesquisadores como uma possível alternativa. Com esses materiais, a funcionalidade magnética necessária é alcançada pela aplicação de um campo elétrico em vez de magnético, porque essas duas propriedades físicas estão acopladas no material. Este estado geralmente ocorre em temperaturas muito baixas, normalmente abaixo de 173 graus Celsius negativos, e se perde novamente nas temperaturas cotidianas.

Dois anos atrás, um grupo de trabalho da PSI conseguiu mudar o limite de temperatura para 37 graus Celsius. Este foi um grande passo em frente, mas ainda não era suficiente pensar em usá-lo em laptops e outros sistemas de armazenamento de dados fortemente aquecidos. Agora, Os pesquisadores do PSI, Marisa Medarde e Tian Shang, conseguiram estabilizar um magneto-elétrico, material multiferróico que retém as propriedades magnéticas necessárias, mesmo a 100 graus Celsius. "Esta temperatura é mais de 60 graus Celsius mais alta do que no passado, "Medarde diz com prazer." Embora muitas pesquisas adicionais ainda sejam necessárias, agora estamos um pouco mais próximos de uma possível utilização desses materiais em computadores. "

Dois em um

A classe relativamente nova de multiferróicos magnetoelétricos inclui várias misturas de elementos químicos. Eles têm uma coisa em comum:eles contêm simultaneamente pequenos ímãs e uma combinação de cargas elétricas positivas e negativas, os chamados dipolos elétricos. Os dipolos elétricos geralmente podem ser influenciados pela aplicação de um campo elétrico e pequenos ímãs pela aplicação de um campo magnético. Para um material multiferróico, um campo elétrico é suficiente para ambos. Na prática, os campos elétricos são muito mais fáceis e baratos de produzir. Eles consomem muito menos eletricidade. Isso é o que torna os multiferróicos magnetoelétricos tão interessantes do ponto de vista econômico. Mas como alcançar o impossível?

Em seu laboratório no PSI, o físico Shang mostra um cinza diferente, pós de cristal branco e amarelo, que ele aquece em um forno de laboratório para preparar os materiais multiferróicos para seus experimentos:"Aqui, usamos bário, cobre, ferro e terras raras, e nós os aquecemos até mais de 1, 100 graus Celsius por dois dias. Então, nós lentamente resfriamos os pós até a temperatura ambiente, pressione-os em pelotas, e, em seguida, aqueça-os novamente por 50 horas. Eles são, então, abruptamente temperados em nitrogênio líquido. "O material cinza fosco na pelota que resulta deste procedimento é uma chamada perovskita de cobre-ferro em camadas, um cristal. É pequeno o suficiente para caber na ponta de um dedo e à primeira vista não parece muito espetacular.

Ímãs frustrados

As características especiais do material são encontradas no nível não visível dos átomos, mais precisamente:em sua estrutura de rede cristalina. Isso pode ser retratado como consistindo de várias gaiolas de rede empilhadas com átomos de bário e ítrio em seus cantos. Dentro das jaulas, pequenos ímãs feitos de cobre e ferro estão localizados. As forças eletromagnéticas atuam entre os ímãs individuais, determinar sua orientação relativa. Normalmente, dois ímãs são alinhados paralelamente ou opostos um ao outro. Mas também pode acontecer que as forças magnéticas atuem em direções muito diferentes. Em seguida, os ímãs oscilam como pequenas agulhas de bússola. O termo técnico para esse tipo de material é um ímã frustrado. Para evitar este estado instável preservando o magnetismo, os ímãs de cobre-ferro se organizam em uma espiral. Ampliado, isso se parece com muitas agulhas de bússola sobrepostas, cada um subsequente torcido por um pequeno ângulo. "Este arranjo em espiral pode causar polarização elétrica e, portanto, ser responsável pelas propriedades ferroelétricas do material, "explica Medarde.

Assim, quando os ímãs são dispostos em espiral, eles induzem dipolos elétricos na rede e o material obtém ambas as propriedades acopladas - elétrica e magnética. Em temperaturas normais, as agulhas da bússola perdem seu arranjo helicoidal, o que também faz com que as propriedades multiferróicas acopladas desapareçam. O fato de que as espirais magnéticas no material podem ser "congeladas" por um resfriamento muito rápido já havia sido mostrado a Medarde e seu grupo em um trabalho anterior. Em sua última investigação, Medarde e Shang agora ajustaram a estrutura de cristal multiferróica. Com ajustes microscopicamente pequenos, eles conseguiram aumentar sua estabilidade de temperatura até 100 graus Celsius.

Proximidade cria força

Além de resfriar o material extremamente rápido, Shang usou um truque que os químicos conhecem há muito tempo:ele simplesmente reduziu as distâncias entre alguns átomos na rede cristalina, aproximando-os um do outro. Como resultado do novo, design mais compacto, as forças eletromagnéticas no cristal mudaram de tal forma que a estrutura espiral dos ímãs de cobre-ferro permaneceu estável mesmo em temperaturas mais altas.

Shang conseguiu isso substituindo alguns átomos de bário na estrutura do cristal pelos átomos menores do elemento estrôncio. Ele adicionou o estrôncio durante a produção do material no forno de reação antes de finalmente resfriar o material novamente da maneira estabelecida.

Próximo, o físico queria saber se a combinação dos dois métodos tinha realmente surtido o efeito desejado. Shang estudou o material cinza-preto usando vários métodos de medição, incluindo investigações na Swiss Spallation Neutron Source SINQ, um centro de pesquisa em grande escala no PSI. Com a ajuda de instrumentos especiais, ele conseguiu identificar a impressão digital das espirais magnéticas. De particular importância para o pesquisador era um instrumento com o complicado nome de difratômetro de nêutrons. Com este dispositivo, que Shang usou tanto na SINQ quanto no Institut Laue-Langevin ILL em Grenoble, ele descobriu onde os átomos estão localizados na estrutura cristalina e quão distantes eles estão uns dos outros.

"O efeito do resfriamento rápido do material mais o da diminuição da distância entre os átomos se somam. A faixa de estabilidade da espiral magnética agora é muito maior do que antes, "disse Shang. Assim, ele atingiu a faixa de temperatura necessária para uso em computadores. No entanto, de acordo com os físicos, vai demorar um pouco para que o material seja realmente usado para armazenar dados no futuro. Por esta, também terá que funcionar em camadas de filme fino, onde muito menos material é usado. Medarde e Shang já estão trabalhando nisso. E eles estão tentando comprimir o cristal de perovskita ainda mais, incorporando átomos que são ainda menores do que o estrôncio. Se ambas as estratégias forem bem-sucedidas, há uma boa chance de que o material multiferróico um dia seja a base para revolucionar a tecnologia de armazenamento de dados.