Identificar a estrutura magnética de um material é a chave para desbloquear novos recursos e maior desempenho em dispositivos eletrônicos. Contudo, resolver estruturas magnéticas cada vez mais complexas requer abordagens cada vez mais sofisticadas.

Pesquisadores do Centro de Cristalografia de Materiais da Universidade de Aarhus, Dinamarca, são pioneiros em uma nova técnica para resolver estruturas magnéticas altamente elaboradas usando nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE). Seu objetivo é desenvolver a técnica - com base na análise matemática de grandes dados de difração tridimensionais - para estabelecer uma abordagem de linha de base que pode ser adaptada a uma ampla classe de materiais magnéticos com diferentes estruturas.

"Em materiais magnéticos, muitos dos átomos têm um momento magnético, ou um giro, que atua como um ímã muito pequeno. Em ímãs típicos, como ímãs de geladeira, cada um deles está alinhado na mesma direção e eles se combinam para formar um momento magnético maior - que nos permite colar coisas em nossa geladeira. Este é um exemplo de estrutura magnética ordenada, onde um padrão específico é repetido continuamente, "disse o pesquisador de Aarhus Nikolaj Roth." Mas estamos mais interessados ​​em sistemas desordenados, ou magnetismo frustrado, onde não há ordem magnética de longo alcance. Onde não há um padrão fixo de giros, que se repete. É aqui que todos os tipos de coisas legais acontecem. "

Embora o magnetismo "frustrado" ou desordenado possa parecer aleatório ou mesmo caótico, "não é, "explicou Roth. Existem correlações entre os spins, mesmo que apenas por uma distância curta - conhecida como ordem magnética de curto alcance. Se as propriedades dinâmicas do magnetismo frustrado podem ser aproveitadas, esses materiais poderiam ser usados ​​para desenvolver novos componentes eletrônicos com recursos extremamente avançados. Este, claro, depende da capacidade de identificar correlações de curto alcance em materiais magnéticos mais rapidamente, mais eficientemente, e em uma escala muito mais ampla.

"Alguns anos atrás, desenvolvemos uma nova técnica de análise de dados que tornou possível ver essas correlações de curto alcance com muita facilidade, "disse Roth.

Nos primeiros experimentos, a equipe calculou com sucesso as correlações magnéticas em uma amostra de bixbyite - um material de óxido de ferro e manganês encontrado em Utah. Neste experimento de acompanhamento, eles usaram bixbyite da África do Sul que tem uma proporção diferente de manganês para ferro e, portanto, tem uma estrutura magnética ligeiramente diferente.

"Estamos recebendo ajuda da Mãe Natureza para que não tenhamos que sintetizar esses materiais, eles são simplesmente encontrados no solo, "disse o pesquisador Kristoffer Holm." A amostra de Utah é cerca de 50:50 de ferro para manganês, enquanto o da África do Sul é mais parecido com 70:30. São amostras intimamente relacionadas, e esperamos que eles possam nos dizer como as diferenças na composição afetarão suas correlações de curto alcance. "

Os nêutrons são adequados para estudar o comportamento magnético porque as próprias partículas atuam como pequenos ímãs. Os nêutrons podem penetrar muitos materiais mais profundamente do que outros métodos complementares; e porque eles não cobram, eles interagem com amostras sem comprometer ou danificar o material para revelar informações críticas sobre energia e matéria na escala atômica.

Por si próprios, as composições de ferro puro e manganês puro têm estruturas ordenadas em baixas temperaturas, em que seus spins são alinhados de acordo com um padrão de repetição específico. Mas quando eles são combinados, eles se tornam desordenados e formam um estado de "vidro giratório" abaixo de 30 Kelvin (cerca de 400 ° Fahrenheit negativo), onde um padrão complexo de alinhamentos de rotação torna-se fixo.

A ordem magnética de curto alcance tem um sinal fraco e é difícil de detectar com instrumentos convencionais de espalhamento de nêutrons. Contudo, a linha de luz CORELLI na Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) do ORNL fornece um alto fluxo, ou grande número de nêutrons, com uma matriz de detectores que pode capturar grandes volumes de dados rapidamente e com detalhes sem precedentes. Usando CORELLI, a equipe foi capaz de quantificar a estrutura magnética da amostra de bixbyita sul-africana para fazer comparações entre ela e a estrutura atômica do material.

“CORELLI é o único instrumento no mundo que poderia fazer este experimento da maneira que precisamos que seja feito. Ele nos permite medir em todas as direções, mesmo em ângulos altos, e faz isso muito rápido, que é exatamente o que precisamos para a técnica que estamos desenvolvendo, "disse o pesquisador Emil Klahn." Mesmo se pudéssemos fazer isso em outra instalação, levaria semanas para fazer o que pudemos fazer em apenas alguns dias. "

A equipe diz que com uma técnica totalmente desenvolvida, eles serão capazes de estudar materiais semelhantes que exibem comportamentos ou estados da matéria bizarros e incomuns; materiais candidatos incluem líquidos de spin quântico, gelos giratórios, e supercondutores não convencionais. Por sua vez, esses insights podem levar a uma ampla gama de aplicações eletrônicas radicalmente avançadas.