O magnetismo, uma das tecnologias mais antigas conhecidas pelos humanos, está na vanguarda dos materiais da nova era que podem permitir a eletrônica sem perdas da próxima geração e os computadores quânticos. Pesquisadores liderados pela Penn State e pela Universidade da Califórnia, em San Diego, descobriram um novo "botão" para controlar o comportamento magnético de um material quântico promissor, e as descobertas podem abrir caminho para dispositivos novos, eficientes e ultrarrápidos.
“A composição mecânica quântica única deste material – telureto de bismuto manganês – permite que ele carregue correntes elétricas sem perdas, algo de tremendo interesse tecnológico”, disse Hari Padmanabhan, que liderou a pesquisa como estudante de pós-graduação na Penn State. "O que torna este material especialmente intrigante é que este comportamento está profundamente ligado às suas propriedades magnéticas. Assim, um botão para controlar o magnetismo neste material também poderia controlar eficientemente essas correntes sem perdas."

O telureto de bismuto de manganês, um material 2D feito de camadas empilhadas atomicamente finas, é um exemplo de isolante topológico, materiais exóticos que simultaneamente podem ser isolantes e condutores de eletricidade, disseram os cientistas. É importante ressaltar que, como esse material também é magnético, as correntes conduzidas em suas bordas podem ser sem perdas, o que significa que não perdem energia na forma de calor. Encontrar uma maneira de ajustar as fracas ligações magnéticas entre as camadas do material pode desbloquear essas funções.

Pequenas vibrações de átomos, ou fônons, no material podem ser uma maneira de conseguir isso, relataram os cientistas em 8 de abril na revista Nature Communications .

"Os fônons são pequenas oscilações atômicas - átomos dançando juntos em vários padrões, presentes em todos os materiais", disse Padmanabhan. "Mostramos que essas oscilações atômicas podem funcionar potencialmente como um botão para ajustar a ligação magnética entre as camadas atômicas no telureto de manganês e bismuto".

Os cientistas da Penn State estudaram o material usando uma técnica chamada espectroscopia magneto-óptica – disparando um laser em uma amostra do material e medindo a cor e a intensidade da luz refletida, que carrega informações sobre as vibrações atômicas. A equipe observou como as vibrações mudavam à medida que alteravam a temperatura e o campo magnético.

À medida que alteravam o campo magnético, os cientistas observaram mudanças na intensidade dos fônons. Esse efeito se deve aos fônons que influenciam a fraca ligação magnética entre as camadas, disseram os cientistas.

"Usando a temperatura e o campo magnético para variar a estrutura magnética do material - como usar um ímã de geladeira para magnetizar uma bússola de agulha - descobrimos que as intensidades dos fônons estavam fortemente correlacionadas com a estrutura magnética", disse Maxwell Poore, estudante de pós-graduação da UC San Diego, e coautor do estudo. “Emparelhando essas descobertas com cálculos teóricos, inferimos que essas vibrações atômicas modificam a ligação magnética entre as camadas deste material”.

Cientistas da UC San Diego realizaram experimentos para rastrear essas vibrações atômicas em tempo real. Os fônons oscilam mais rápido que um trilhão de vezes por segundo, muitas vezes mais rápido que os chips de computador modernos, disseram os cientistas. Um processador de computador de 3,5 gigahertz, por exemplo, opera a uma frequência de 3,5 bilhões de vezes por segundo.

"O que foi bonito nesse resultado foi que estudamos o material usando diferentes métodos experimentais complementares em diferentes instituições e todos eles convergiram notavelmente para a mesma imagem", disse Peter Kim, estudante de pós-graduação da UC San Diego e coautor do artigo. .

Mais pesquisas são necessárias para usar diretamente o botão magnético, disseram os cientistas. Mas se isso puder ser alcançado, poderá levar a dispositivos ultrarrápidos que podem controlar de forma eficiente e reversível as correntes sem perdas.

"Um grande desafio em fazer processadores eletrônicos mais rápidos e poderosos é que eles aquecem", disse Venkatraman Gopalan, professor de ciência e engenharia de materiais e física da Penn State, ex-conselheiro de Padmanabhan e co-autor do artigo. "O aquecimento desperdiça energia. Se pudéssemos encontrar maneiras eficientes de controlar materiais que hospedam correntes sem perdas, isso potencialmente nos permitiria implantá-los em futuros dispositivos eletrônicos com eficiência energética." + Explorar mais

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