Os pesquisadores identificaram uma nova forma de magnetismo no chamado grafeno magnético, que poderia apontar o caminho para a compreensão da supercondutividade neste tipo incomum de material.

Os pesquisadores, liderado pela Universidade de Cambridge, foram capazes de controlar a condutividade e magnetismo do tiofosfato de ferro (FePS ₃ ), um material bidimensional que sofre uma transição de um isolante para um metal quando comprimido. Esta classe de materiais magnéticos oferece novas rotas para a compreensão da física de novos estados magnéticos e supercondutividade.

Usando novas técnicas de alta pressão, os pesquisadores mostraram o que acontece com o grafeno magnético durante a transição do isolante para o condutor e em seu estado metálico não convencional, realizado apenas sob condições de ultra-alta pressão. Quando o material se torna metálico, permanece magnético, o que vai de encontro aos resultados anteriores e fornece pistas de como funciona a condução elétrica na fase metálica. A recém-descoberta fase magnética de alta pressão provavelmente forma um precursor da supercondutividade, portanto, entender seus mecanismos é vital.

Seus resultados, publicado no jornal Revisão Física X , também sugerem uma maneira que novos materiais poderiam ser projetados para ter propriedades combinadas de condução e magnética, que pode ser útil no desenvolvimento de novas tecnologias, como a spintrônica, o que poderia transformar a maneira como os computadores processam as informações.

As propriedades da matéria podem se alterar dramaticamente com a mudança da dimensionalidade. Por exemplo, grafeno, nanotubos de carbono, grafite e diamante são todos feitos de átomos de carbono, mas têm propriedades muito diferentes devido à sua estrutura e dimensionalidade diferentes.

"Mas imagine se você também pudesse alterar todas essas propriedades adicionando magnetismo, "disse o primeiro autor, Dr. Matthew Coak, que trabalha em conjunto no Laboratório Cavendish de Cambridge e na Universidade de Warwick. "Um material que poderia ser mecanicamente flexível e formar um novo tipo de circuito para armazenar informações e realizar cálculos. É por isso que esses materiais são tão interessantes, e porque eles mudam drasticamente suas propriedades quando colocados sob pressão para que possamos controlar seu comportamento. "

Em um estudo anterior de Sebastian Haines, do Laboratório Cavendish de Cambridge e do Departamento de Ciências da Terra, pesquisadores estabeleceram que o material se torna um metal em alta pressão, e descreveu como a estrutura cristalina e o arranjo dos átomos nas camadas desse material 2-D mudam durante a transição.

"A peça que faltava permaneceu, no entanto, o magnetismo, "disse Coak." Sem técnicas experimentais capazes de sondar as assinaturas de magnetismo neste material em pressões tão altas, nossa equipe internacional teve que desenvolver e testar nossas próprias novas técnicas para torná-lo possível. "

Os pesquisadores usaram novas técnicas para medir a estrutura magnética até altas pressões recordes, usando bigornas de diamante e nêutrons especialmente projetados para atuar como a sonda de magnetismo. Eles foram então capazes de acompanhar a evolução do magnetismo para o estado metálico.

"Para nossa surpresa, descobrimos que o magnetismo sobrevive e é de algumas maneiras fortalecido, "co-autor Dr. Siddharth Saxena, líder do grupo no Laboratório Cavendish. "Isso é inesperado, já que os elétrons recém-vagando livremente em um novo material condutor não podem mais ser fixados em seus átomos de ferro-mãe, gerando momentos magnéticos lá - a menos que a condução venha de uma fonte inesperada. "

Em seu artigo anterior, os pesquisadores mostraram que esses elétrons estavam "congelados" em certo sentido. Mas quando eles os fizeram fluir ou se mover, eles começaram a interagir cada vez mais. O magnetismo sobrevive, mas é modificado em novas formas, dando origem a novas propriedades quânticas em um novo tipo de metal magnético.

Como um material se comporta, seja condutor ou isolante, baseia-se principalmente em como os elétrons, ou cobrar, mover-se. Contudo, o 'spin' dos elétrons mostrou ser a fonte do magnetismo. O spin faz com que os elétrons se comportem um pouco como minúsculos ímãs em barra e apontem para uma determinada direção. O magnetismo do arranjo dos spins do elétron é usado na maioria dos dispositivos de memória:aproveitá-lo e controlá-lo é importante para o desenvolvimento de novas tecnologias, como a spintrônica, o que poderia transformar a maneira como os computadores processam as informações.

"A combinação dos dois, a carga e o giro, é a chave para como este material se comporta, "disse o co-autor Dr. David Jarvis do Institut Laue-Langevin, França, que realizou este trabalho como base de seu doutorado. estudos no Laboratório Cavendish. "Encontrar esse tipo de multifuncionalidade quântica é outro salto em frente no estudo desses materiais."

"Não sabemos exatamente o que está acontecendo no nível quântico, mas ao mesmo tempo, podemos manipulá-lo, "disse Saxena." É como aqueles famosos 'desconhecidos':abrimos uma nova porta para as propriedades da informação quântica, mas ainda não sabemos quais podem ser essas propriedades. "

Existem mais compostos químicos potenciais para sintetizar do que jamais poderiam ser totalmente explorados e caracterizados. Mas, ao selecionar e ajustar cuidadosamente os materiais com propriedades especiais, é possível mostrar o caminho para a criação de compostos e sistemas, mas sem ter que aplicar muita pressão.

Adicionalmente, ganhar compreensão fundamental de fenômenos como magnetismo de baixa dimensão e supercondutividade permite que os pesquisadores dêem os próximos saltos na ciência e engenharia de materiais, com potencial particular em eficiência energética, geração e armazenamento.

Quanto ao caso do grafeno magnético, os pesquisadores planejam continuar a busca por supercondutividade dentro deste material único. "Agora que temos uma ideia do que acontece com esse material em alta pressão, podemos fazer algumas previsões sobre o que pode acontecer se tentarmos ajustar suas propriedades adicionando elétrons livres, comprimindo-os ainda mais, "disse Coak.

"O que estamos perseguindo é a supercondutividade, "disse Saxena." Se pudermos encontrar um tipo de supercondutividade relacionada ao magnetismo em um material bidimensional, pode nos dar uma chance de resolver um problema que já vem de décadas. "