p Pesquisadores que trabalham no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) com grafeno acoplado, uma forma monocamada de carbono, com finas camadas de materiais magnéticos como cobalto e níquel para produzir um comportamento exótico em elétrons que podem ser úteis para aplicações de computação de próxima geração. p O trabalho foi realizado em colaboração com cientistas franceses, incluindo o Prêmio Nobel Albert Fert, professor emérito da Universidade Paris-Sud e diretor científico de um laboratório de pesquisa na França. A equipe realizou medições importantes na Fundição Molecular do Berkeley Lab, um DOE Office of Science User Facility focado na pesquisa em nanociência.

p Fert compartilhou o Prêmio Nobel de Física em 2007 por seu trabalho na compreensão de um efeito magnético em materiais multicamadas que levou a uma nova tecnologia para leitura de dados em discos rígidos, por exemplo, e deu origem a um novo campo de estudo de como explorar e controlar uma propriedade fundamental conhecida como "spin" nos elétrons para conduzir um novo tipo de baixa energia, memória de computador de alta velocidade e tecnologia lógica conhecida como spintrônica.

p Neste último trabalho, publicado online em 28 de maio na revista Materiais da Natureza , a equipe de pesquisa mostrou como essa propriedade de spin - análoga a uma agulha de bússola que pode ser ajustada para o norte ou para o sul - é afetada pela interação do grafeno com as camadas magnéticas.

p Os pesquisadores descobriram que as propriedades eletrônicas e magnéticas do material criam minúsculos padrões de espiral onde as camadas se encontram, e esse efeito dá aos cientistas esperança de controlar a direção desses redemoinhos e usar esse efeito para uma forma de aplicações spintrônica conhecida como "spin-orbitrônica" em materiais ultrafinos. O objetivo final é armazenar e manipular dados de forma rápida e eficiente em escalas muito pequenas, e sem o aumento de calor, que é um soluço comum para miniaturizar dispositivos de computação.

p Tipicamente, pesquisadores que trabalham para produzir esse comportamento para elétrons em materiais têm acoplado metais pesados ​​e caros, como platina e tântalo, a materiais magnéticos para alcançar tais efeitos, mas o grafeno oferece uma alternativa potencialmente revolucionária, uma vez que é ultrafino, leve, tem condutividade elétrica muito alta, e também pode servir como uma camada protetora para materiais magnéticos sujeitos à corrosão.

p "Você poderia pensar em substituir os discos rígidos de computador por todos os dispositivos de estado sólido - sem peças móveis - usando apenas sinais elétricos, "disse Andreas Schmid, um cientista da equipe da Molecular Foundry que participou da pesquisa. "Parte do objetivo é obter menor consumo de energia e armazenamento de dados não volátil."

p A pesquisa mais recente representa um passo inicial em direção a esse objetivo, Schmid observou, e uma próxima etapa é controlar os recursos magnéticos em nanoescala, chamados skyrmions, que pode exibir uma propriedade conhecida como quiralidade que os faz girar no sentido horário ou anti-horário.

p Em materiais em camadas mais convencionais, elétrons viajando através dos materiais podem agir como um "vento de elétrons" que muda as estruturas magnéticas como uma pilha de folhas sopradas por um vento forte, Disse Schmid.

p Mas com o novo material em camadas de grafeno, seus fortes efeitos de spin de elétrons podem conduzir texturas magnéticas de quiralidade oposta em diferentes direções, como resultado do "efeito Hall de spin, "o que explica como as correntes elétricas podem afetar o spin e vice-versa. Se essa quiralidade puder ser universalmente alinhada em um material e invertida de forma controlada, pesquisadores poderiam usá-lo para processar dados.

p "Cálculos feitos por outros membros da equipe mostram que se você pegar diferentes materiais magnéticos e grafeno e construir uma pilha multicamadas de muitas estruturas repetidas, então, este fenômeno e efeito poderia ser amplificado de forma muito poderosa, "Schmid disse.

p Para medir o material em camadas, cientistas aplicaram microscopia eletrônica de baixa energia com polarização de spin (SPLEEM) usando um instrumento do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Molecular Foundry. É um dos poucos dispositivos especializados em todo o mundo que permitem aos cientistas combinar diferentes imagens para mapear essencialmente as orientações do perfil de magnetização 3-D (ou vetor) de uma amostra, revelando suas "texturas de rotação".

p A equipe de pesquisa também criou as amostras usando o mesmo instrumento SPLEEM por meio de um processo preciso conhecido como epitaxia de feixe molecular, e separadamente estudou as amostras usando outras formas de técnicas de sondagem de feixe de elétrons.

p Gong Chen, um co-autor principal que participou do estudo como pesquisador de pós-doutorado na Molecular Foundry e agora é um cientista assistente do projeto no Departamento de Física da UC Davis, disse que a colaboração surgiu de uma discussão com cientistas franceses em uma conferência em 2016 - ambos os grupos trabalharam independentemente em pesquisas semelhantes e perceberam a sinergia de trabalhar juntos.

p Embora os efeitos que os pesquisadores agora observaram nos últimos experimentos tenham sido discutidos décadas atrás em artigos de periódicos anteriores, Chen observou que o conceito de usar um material atomicamente fino como o grafeno no lugar de elementos pesados ​​para gerar esses efeitos era um novo conceito.

p "Só recentemente se tornou um assunto quente, "Disse Chen." Esse efeito em filmes finos foi ignorado por muito tempo. Este tipo de empilhamento multicamadas é realmente estável e robusto. "

p Usar skyrmions pode ser revolucionário para o processamento de dados, ele disse, porque as informações podem ser potencialmente armazenadas em densidades muito mais altas do que é possível com as tecnologias convencionais, e com muito menor consumo de energia.

p Os pesquisadores da Fundição Molecular estão agora trabalhando para formar o material de multicamadas magnéticas de grafeno em um isolador ou semicondutor para aproximá-lo de aplicações potenciais, Disse Schmid.