Cientistas de materiais da Duke University mostraram o primeiro exemplo claro de que a transição de um material em um ímã pode controlar as instabilidades em sua estrutura cristalina que fazem com que ele mude de condutor para isolante.

Se os pesquisadores puderem aprender a controlar esta conexão única entre as propriedades físicas identificadas no sulfeto de ferro hexagonal, poderia permitir novas tecnologias, como a computação spintrônica. Os resultados aparecem no dia 13 de abril no jornal Física da Natureza .

Normalmente conhecido como troilite, sulfeto de ferro hexagonal pode ser encontrado nativamente na Terra, mas é mais abundante em meteoritos, particularmente aqueles originários da Lua e de Marte. Raramente encontrado na crosta terrestre, acredita-se que a maior parte da troilita na Terra tenha se originado do espaço.

Apesar de sua relativa raridade, A troilite tem sido estudada desde 1862 sem muito alarde. Um artigo teórico recente, Contudo, sugeriu que pode haver uma nova física em jogo entre as temperaturas de 289 e 602 graus Fahrenheit - a faixa de temperatura na qual a troilita se torna magnética e isolante.

"O artigo teorizou que a forma como os átomos mudam em sua estrutura cristalina está impactando as propriedades do mineral por meio de um efeito bastante complicado que não foi visto antes, "disse Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais, física e química na Duke. “O aspecto mais importante é essa interação entre propriedades magnéticas e dinâmica atômica, que é um assunto que não foi muito investigado antes, mas está abrindo novas possibilidades nas tecnologias de computação. "

Para chegar ao cerne do comportamento estranho do material, Delaire e seus colegas recorreram a Haidong Zhou, professor assistente de física experimental da matéria condensada na Universidade do Tennessee, para a difícil tarefa de cultivar cristais perfeitos de troilite. Os pesquisadores então levaram amostras para o Oak Ridge National Laboratory e o Argonne National Laboratory para explodi-los com nêutrons e raios-x, respectivamente.

Quando partículas como nêutrons ou raios-x refletem nos átomos dentro de um material, os pesquisadores podem usar essas informações de espalhamento para reconstruir sua estrutura atômica e dinâmica. Como os nêutrons têm seu próprio momento magnético interno, eles também podem revelar a direção do spin magnético de cada átomo. Mas, como os nêutrons interagem fracamente com os átomos, raios-x também são muito úteis para resolver a estrutura atômica de um material e vibrações atômicas em cristais minúsculos. Os pesquisadores compararam os resultados de duas varreduras diferentes usando modelos de mecânica quântica criados em um supercomputador no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para ter certeza de que entenderam o que estava acontecendo.

Depois de observar as mudanças que ocorrem através das transformações de fase da troilite, os pesquisadores descobriram mecanismos nunca vistos anteriormente em funcionamento. Em altas temperaturas, os spins magnéticos dos átomos da troilita apontam em direções aleatórias, tornando o material não magnético. Mas assim que a temperatura cair abaixo de 602 graus Fahrenheit, os momentos magnéticos se alinham naturalmente e um ímã nasce.

O alinhamento desses spins magnéticos altera a dinâmica de vibração dos átomos. Essa mudança faz com que toda a estrutura atômica cristalina se deforme ligeiramente, o que, por sua vez, cria um gap que os elétrons não conseguem atravessar. Isso faz com que a troilite perca sua capacidade de conduzir eletricidade.

"Este é o primeiro exemplo claro de que o alinhamento de spins magnéticos pode controlar as instabilidades da estrutura cristalina de um material, "disse Delaire." E porque essas instabilidades levam a uma conexão entre as propriedades magnéticas e de condutividade do cristal, este é o tipo de material que é empolgante em termos de habilitação de novos tipos de dispositivos. "

A capacidade de ajustar o estado magnético de um material aplicando correntes elétricas, e vice versa, seria essencial para a realização de tecnologias como a eletrônica de spin, Disse Delaire. Conhecido como spintrônica, este campo emergente busca usar o spin intrínseco de um elétron e o momento magnético associado para armazenar e manipular dados. Combinado com o papel tradicional do elétron na computação, isso permitiria que os processadores de computador se tornassem mais densos e eficientes.

Por meio deste artigo, Delaire e seus colegas identificaram os controles magnéticos dos mecanismos de distorção da estrutura do cristal, dando aos pesquisadores uma alça para manipular um com o outro. Embora esse controle seja atualmente baseado em mudanças de temperatura, o próximo passo para os pesquisadores é olhar para a aplicação de campos magnéticos externos para ver como eles podem afetar a dinâmica atômica do material.

Quer a troilite se torne ou não o novo silício para a próxima geração de tecnologia de computação, Delaire diz que encontrar esse mecanismo único em um material tão conhecido é uma boa lição para todo o campo.

"É surpreendente que, mesmo que você tenha um composto que é relativamente simples, você pode ter esse mecanismo sofisticado que pode acabar permitindo novas tecnologias, "disse Delaire." Em certo sentido, é um sinal de alerta que precisamos reconsiderar alguns dos materiais mais simples para procurar efeitos semelhantes em outros lugares. "