p (PhysOrg.com) - Uma equipe internacional de pesquisadores conseguiu criar gelo artificial em um estado de equilíbrio térmico pela primeira vez, permitindo-lhes examinar a configuração precisa deste importante nanomaterial. p Cientistas da Universidade de Leeds, o Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos e o Laboratório Rutherford Appleton do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido afirmam que a descoberta lhes permitirá estudar com muito mais detalhes um fenômeno científico conhecido como 'monopólos magnéticos', que se pensa existirem em tais estruturas. Suas descobertas foram publicadas hoje no jornal Física da Natureza .

p O gelo artificial de spin é construído usando nanotecnologia e é feito de milhões de pequenos ímãs, cada um milhares de vezes menor que um grão de areia. Os ímãs existem em uma rede no que é conhecido como uma estrutura "frustrada". Como gelo de água, a geometria da estrutura significa que todas as interações entre os átomos não podem ser satisfeitas ao mesmo tempo.

p "É como tentar sentar alternadamente comensais masculinos e femininos em torno de uma mesa com um número ímpar de assentos - por mais que você os reorganize, você nunca terá sucesso, "disse o Dr. Christopher Marrows da Universidade de Leeds, co-autor do artigo.

p Em spin ice, dipolos magnéticos com pólos norte e sul são arranjados em estruturas de tetraedros. Cada dipolo tem momentos magnéticos, semelhantes aos prótons nas moléculas de H2O no gelo de água, que se atraem e se repelem. Consequentemente, os dipolos se organizam no estado de energia mais baixo possível, que são dois pólos apontando para dentro e dois apontando para fora.

p O Dr. Marrows disse:"Os gelos giratórios criaram muita empolgação nos últimos anos, pois se percebeu que são um playground para os físicos que estudam excitações monopólos magnéticos e física das cordas de Dirac no estado sólido. No entanto, até agora, todas as amostras dessas estruturas artificiais criadas no laboratório foram o que chamamos de 'emperradas'.

p "O que fizemos foi encontrar uma maneira de desbloquear o gelo giratório e colocá-lo em um estado fundamental bem ordenado conhecido como equilíbrio térmico. Podemos então congelar uma amostra neste estado, e use um microscópio para ver para que lado estão apontando todos os pequenos ímãs. É o equivalente a ser capaz de tirar uma foto de cada átomo em uma sala, pois nos permite inspecionar exatamente como a estrutura está configurada. "

p Jason Morgan, Estudante de PhD na University of Leeds e principal autor do artigo, foi o primeiro membro da equipe a observar a amostra em equilíbrio. Ele disse:"Fazer a amostra auto-ordenar de tal forma nunca foi alcançado experimentalmente antes e por um tempo foi considerado impossível. Mas quando olhamos para a amostra usando microscopia de força magnética e vimos esta bela estrutura periódica, soubemos instantaneamente que havíamos alcançado um estado fundamental ordenado. "

p Os pesquisadores também foram capazes de observar excitações individuais fora desse estado fundamental em sua amostra, que eles dizem ser evidência de dinâmica monopolo dentro da rede.

p Monopólos magnéticos - ímãs com apenas um único pólo norte ou sul ¬¬ - são antigas partículas hipotéticas que agora se pensa que existem no gelo de rotação. Há esperança entre os cientistas de que a compreensão desses monopolos com mais detalhes possa levar a avanços em um novo campo de tecnologia conhecido como 'magnetricidade' - um equivalente magnético da eletricidade.

p Co-autor Sean Langridge, um membro do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC) e professor visitante na Universidade de Leeds, acrescentou:"Nos sistemas de spin-ice que ocorrem naturalmente, este estado fundamental é previsto, mas não foi experimentalmente observado.

p "Agora que foi observado em um sistema artificial, o próximo passo é observar dinamicamente as excitações desse estado fundamental. Só podemos fazer isso controlando as interações com técnicas litográficas de última geração. Esse nível de controle fornecerá um equilíbrio uniforme maior nível de compreensão neste sistema fascinante. "

p A equipe criou amostras "artificiais" de gelo giratório em Brookhaven usando uma ferramenta de nanotecnologia de última geração chamada criador de feixe de elétrons. Uma instalação semelhante de £ 4 milhões será inaugurada em breve na Universidade de Leeds, que será exclusiva do Reino Unido e permitirá a colaboração contínua com os pesquisadores de Brookhaven.