Como o Pé Grande e o monstro do Lago Ness, flutuações críticas de spin em um sistema magnético não foram capturadas no filme. Ao contrário das criaturas fabulosas, essas flutuações - que são padrões de spin de elétrons altamente correlacionados - realmente existem, mas são muito aleatórios e turbulentos para serem vistos em tempo real.

Uma equipe de Cornell desenvolveu uma nova técnica de imagem que é rápida e sensível o suficiente para observar essas flutuações críticas indescritíveis em ímãs bidimensionais. Esta imagem em tempo real permite que os pesquisadores controlem as flutuações e alternem o magnetismo por meio de um mecanismo "passivo" que pode levar a dispositivos de armazenamento magnético mais eficientes em energia.

Colaboração Radical

O papel da equipe, "Imagem e controle de flutuações críticas em ímãs bidimensionais, "publicado em 8 de junho em Materiais da Natureza .

Os co-autores seniores do artigo são Kin Fai Mak, professor associado de física na Faculdade de Artes e Ciências, e Jie Shan, professor de física aplicada e de engenharia na Faculdade de Engenharia. Ambos os pesquisadores são membros do Instituto Kavli em Cornell for Nanoscale Science, e vieram para Cornell por meio da iniciativa do reitor em Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano). Seu laboratório compartilhado é especializado em física de materiais quânticos atomicamente finos.

As flutuações de magnetização são consideradas "críticas" quando ocorrem perto do ponto crítico termodinâmico, que é o momento em que uma forma de matéria faz a transição para uma nova fase, dando origem a todos os tipos de fenômenos incomuns. Um exemplo típico é o ferro, que perde suas propriedades magnéticas quando aquecido a temperaturas extremas.

Nesta região crítica, ou regime, as flutuações param de se comportar aleatoriamente e, em vez disso, tornam-se altamente correlacionadas.

"Se você imaginar todas as moléculas de ar correlacionadas, eles estão se movendo juntos em uma escala de comprimento muito grande como o vento, "disse Chenhao Jin, um pós-doutorado com o Instituto Kavli e o autor principal do artigo. "É o que acontece quando a flutuação se correlaciona. Pode levar a efeitos dramáticos em um sistema e em qualquer escala porque a correlação, principalmente, pode ir ao infinito. A flutuação que estamos vendo aqui é a rotação, ou momento magnético, flutuações. "

Essas flutuações críticas de magnetização são difíceis de ver porque estão em constante mudança e ocorrem em uma faixa de temperatura muito estreita.

"Os físicos estudaram a transição de fase magnética por muitas décadas, e sabemos que este fenômeno é mais facilmente observado em um sistema bidimensional, "Mak disse." O que é mais bidimensional do que um ímã que tem apenas uma única camada de átomos?

Observar um sinal de uma única camada atômica ainda apresenta muitos desafios. Os pesquisadores usaram um isolador ferromagnético de camada única, brometo de cromo, que, como um sistema bidimensional, apresenta um regime crítico mais amplo e flutuações mais fortes. Para ver essas flutuações em tempo real, os pesquisadores precisavam de um método que fosse igualmente rápido, com alta resolução espacial e ampla capacidade de geração de imagens em campo.

A equipe conseguiu atender a esses critérios usando luz com um estado de polarização muito puro para sondar a monocamada e registrar um sinal limpo do momento magnético - que é a força e a orientação do ímã - conforme ele faz suas flutuações espontâneas.

A capacidade de capturar esse fenômeno em tempo real significa que os pesquisadores podem controlar as flutuações críticas no ímã simplesmente aplicando uma pequena voltagem e permitindo que as flutuações alternem entre os estados. Assim que o estado ou valor pretendido for alcançado, a tensão pode ser desligada. Nenhum campo magnético é necessário para controlar as flutuações porque elas essencialmente se movem. Isso poderia levar à criação de dispositivos de armazenamento magnético que consomem muito menos energia.

"É um conceito fundamentalmente diferente da comutação de estado magnético ativo, porque é totalmente passivo, "Disse Mak." É uma troca baseada nas informações obtidas nas medições, em vez de dirigir ativamente o sistema. Portanto, é um novo conceito que poderia potencialmente economizar muita energia. "