Físicos da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Cingapura) e o Instituto Niels Bohr em Copenhague, Dinamarca, desenvolveram um método para transformar um metal não magnético em um ímã usando luz laser.

Os ímãs e seu campo magnético são normalmente produzidos por correntes circulantes, como aqueles encontrados em bobinas eletromagnéticas do dia a dia. A "lateralidade" dessas bobinas - sejam elas enroladas no sentido horário ou anti-horário - determina a direção do campo magnético produzido.

Os cientistas teorizam que, quando discos metálicos não magnéticos são iluminados por luz polarizada linearmente - luz que não possui destreza própria -, correntes elétricas circulantes e, portanto, magnetismo podem surgir espontaneamente no disco.

Este método poderia, em princípio, transformar metais não ferrosos em ímãs "sob demanda" usando luz laser.

A nova teoria do Professor Assistente Justin Song da Escola de Ciências Físicas e Matemáticas da NTU e do Professor Associado Mark Rudner do Instituto Niels Bohr, foi publicado na revista científica Física da Natureza no início deste mês.

Ao formular sua proposta, os cientistas desenvolveram uma nova maneira de pensar sobre a interação entre luz e matéria. Eles usaram uma combinação de cálculos feitos a lápis e papel e simulações numéricas para planejá-lo.

O professor Asst Song disse que o esquema deles é um exemplo de como as novas e fortes interações luz-matéria podem ser usadas para criar propriedades materiais "sob demanda". Se realizado experimentalmente, isso abriria uma ampla variedade de aplicações potenciais em uma gama de materiais plasmônicos de alta qualidade, como o grafeno.

Aproveitando campos plasmônicos

As propriedades de muitos materiais são convencionalmente consideradas fixas, determinado pelo arranjo de seus átomos em nanoescala. Por exemplo, a configuração dos átomos em um material determina se ele conduz eletricidade facilmente ou tem comportamento isolante / não condutor.

Song e Rudner queriam explorar como plasmons - oscilações locais de carga em metais - e os intensos campos elétricos oscilantes que eles criam, pode ser usado para alterar as propriedades do material.

Como a forma como a luz consiste em fótons, a oscilação do plasma consiste em plasmons, um tipo de quasipartícula. Plasmons tendem a oscilar e se mover na mesma direção que o campo que o está conduzindo (por exemplo, direção de polarização do campo de luz).

Contudo, os cientistas descobriram que quando a irradiação de luz é forte o suficiente, os plasmons em um disco metálico não magnético podem girar espontaneamente tanto para a mão esquerda quanto para a direita, mesmo quando conduzido por luz polarizada linearmente.

"Esta foi uma assinatura de que as propriedades intrínsecas do material foram alteradas, "disse o Asst Prof Song." Descobrimos que quando os fortes campos internos de um plasmon modificam a estrutura de banda eletrônica de um material, ele também transformaria o plasmon, configurar um ciclo de feedback permitindo que o plasmon exiba espontaneamente uma quiralidade. "

Este movimento quiral do plasmon produziu uma magnetização que então fez o disco metálico não magnético de seu esquema, magnético.

Os cientistas dizem que a observação chave em sua análise teórica é que os campos elétricos oscilantes plasmônicos intensos podem modificar a dinâmica dos elétrons no metal.

O professor associado Rudner disse:"Do ponto de vista de um elétron dentro de um material, um campo elétrico é um campo elétrico:não importa se esse campo oscilante foi produzido a partir de plasmons dentro do próprio material ou por um laser brilhando no material. "

Song e Rudner usaram esse insight para demonstrar teoricamente as condições em que o feedback dos campos internos dos plasmons poderia desencadear uma instabilidade em direção à magnetização espontânea no sistema. A equipe espera que esta abordagem teórica possa ser realizada em uma variedade de materiais plasmônicos de alta qualidade, como o grafeno.

Comportamento emergente

A noção de usar luz para alterar as propriedades de um material ganhou muita atenção científica recentemente. Contudo, muitos dos exemplos publicados imbuem um material com propriedades presentes na irradiação de luz (por exemplo, irradiando um material com luz polarizada circularmente, um material pode adquirir quiralidade ou destreza) ou aumentar quantitativamente uma propriedade que já estava presente no material.

A pesquisa de Song e Rudner, em contraste com essas abordagens, foi muito mais longe, eles dizem.

"Descobrimos que os plasmons podem adquirir uma espécie de 'vida separada' ou 'emergência' com novas propriedades que não estavam presentes no metal que hospeda os plasmons ou no campo de luz que o dirigia, "Asst Prof Song acrescentou. O comportamento do plasmon foi emergente no sentido de que quebrou as simetrias intrínsecas do campo de luz e do metal.

Comportamento emergente, onde o todo é mais do que a soma de suas partes, surge quando muitas partículas interagem entre si para agir de forma coletiva. É responsável por uma série de fases úteis da matéria, como ferromagnetos e supercondutores, que são normalmente controlados pela temperatura. A pesquisa da equipe estende essa ideia aos plasmons e propõe como ela pode ser controlada por irradiação de luz.

"Em um nível mais profundo, há muitas questões fundamentais a explorar sobre a natureza da quebra espontânea de simetria de não equilíbrio ("emergência") que previmos, "disse o Professor Associado Rudner.

Professor assistente Song, bolsista da National Research Foundation (NRF) de Cingapura, concordou, dizendo "Talvez a mensagem para levar para casa mais significativa de nosso trabalho é que ele mostra que os modos coletivos podem exibir novas fases distintas. Se o magnetismo plasmônico for possível, que outras fases dos modos coletivos estão esperando para serem descobertas? "