Para magnetizar um prego de ferro, basta acariciar sua superfície várias vezes com uma barra magnética. No entanto, existe um método muito mais incomum:uma equipe liderada pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) descobriu há algum tempo que uma certa liga de ferro pode ser magnetizada com pulsos de laser ultracurtos.



Os pesquisadores agora se uniram ao Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) para investigar mais detalhadamente esse processo. Eles descobriram que o fenômeno também ocorre com uma classe diferente de materiais – o que amplia significativamente as perspectivas de aplicação potencial. O grupo de trabalho apresenta suas descobertas na revista Advanced Functional Materials .

A descoberta inesperada foi feita em 2018. Quando a equipe do HZDR irradiou uma fina camada de uma liga de ferro-alumínio com pulsos de laser ultracurtos, o material não magnético tornou-se subitamente magnético.

A explicação:os pulsos de laser reorganizam os átomos do cristal de tal forma que os átomos de ferro se aproximam, formando assim um ímã. Os pesquisadores conseguiram então desmagnetizar a camada novamente com uma série de pulsos de laser mais fracos. Isto permitiu-lhes descobrir uma forma de criar e apagar pequenos “pontos magnéticos” numa superfície.

No entanto, a experiência piloto ainda deixou algumas questões sem resposta. “Não estava claro se o efeito ocorre apenas na liga de ferro-alumínio ou também em outros materiais”, explica o físico do HZDR, Dr. Rantej Bali. "Também queríamos tentar rastrear a progressão do processo." Para uma investigação mais aprofundada, ele se uniu ao Dr. Theo Pflug do LHM e colegas da Universidade de Zaragoza, na Espanha.

Flipbook com pulsos de laser

Os especialistas concentraram-se especificamente numa liga de ferro-vanádio. Ao contrário da liga de ferro-alumínio com sua rede cristalina regular, os átomos da liga de ferro-vanádio estão dispostos de forma mais caótica, formando uma estrutura amorfa semelhante a vidro. Para observar o que acontece com a irradiação do laser, os físicos usaram um método especial:o método bomba-sonda.

“Primeiro, irradiamos a liga com um forte pulso de laser, que magnetiza o material”, explica Theo Pflug. "Simultaneamente, usamos um segundo pulso mais fraco que é refletido na superfície do material."

A análise do pulso de laser refletido fornece uma indicação das propriedades físicas do material. Este processo é repetido várias vezes, pelo que o intervalo de tempo entre o primeiro impulso de "bomba" e o impulso de "sonda" subsequente é continuamente prolongado.

Como resultado, é obtida uma série temporal de dados de reflexão, que permite caracterizar os processos desencadeados pela excitação do laser. “Todo o procedimento é semelhante à geração de um flip book”, diz Pflug. "Da mesma forma, uma série de imagens individuais que são animadas quando vistas em rápida sucessão."

Derretimento rápido

O resultado:embora tenha uma estrutura atômica diferente da do composto ferro-alumínio, a liga ferro-vanádio também pode ser magnetizada via laser. “Em ambos os casos, o material derrete brevemente no ponto de irradiação”, explica Rantej Bali. “Isso faz com que o laser apague a estrutura anterior, gerando uma pequena área magnética em ambas as ligas.”

Um resultado encorajador:aparentemente, o fenômeno não se limita a uma estrutura material específica, mas pode ser observado em diversos arranjos atômicos.

A equipe também acompanha a dinâmica temporal do processo:“Pelo menos agora sabemos em que escalas de tempo algo acontece”, explica Theo Pflug. "Em femtossegundos, o pulso de laser excita os elétrons no material. Vários picossegundos depois, os elétrons excitados transferem sua energia para os núcleos atômicos."

Consequentemente, esta transferência de energia provoca o rearranjo numa estrutura magnética, que é estabilizada pelo subsequente arrefecimento rápido. Nas experiências seguintes, os investigadores pretendem observar exactamente como os átomos se reorganizam, examinando o processo de magnetização com raios X intensos.

Visões definidas nas aplicações

Embora ainda esteja em estágio inicial, este trabalho já fornece ideias iniciais para possíveis aplicações:por exemplo, é concebível colocar pequenos ímãs na superfície de um chip via laser. “Isso pode ser útil para a produção de sensores magnéticos sensíveis, como os usados ​​em veículos”, especula Rantej Bali. "Também poderia encontrar possíveis aplicações no armazenamento de dados magnéticos."

Além disso, o fenômeno parece relevante para um novo tipo de eletrônica, nomeadamente a spintrônica. Aqui, sinais magnéticos deveriam ser usados ​​para processos de computação digital, em vez de elétrons passarem através de transistores, como de costume – oferecendo uma abordagem possível para a tecnologia computacional do futuro.

Mais informações: Theo Pflug et al, Reordenação posicional e de rede química induzida por laser, gerando ferromagnetismo, Materiais Funcionais Avançados (2023). DOI:10.1002/adfm.202311951
Informações do diário: Materiais Funcionais Avançados

Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães