Se um grupo de átomos de cobalto se alinha ao Norte ou Sul (vermelho), os átomos de cobalto vizinhos se alinham com o oeste ou leste (azul). A orientação dos átomos vizinhos está dentro do plano. Esta interação requer um sanduíche da camada de cobalto entre uma camada de platina (abaixo, bege) e uma camada de óxido de alumínio (acima, não mostrado aqui). Crédito:Instituto Paul Scherrer / Zhaochu Luo
Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI e ETH Zurique descobriram um fenômeno especial de magnetismo na faixa nano. Ele permite que os ímãs sejam montados em configurações incomuns. Isso poderia ser usado para construir memórias de computador e interruptores para aumentar o desempenho dos microprocessadores. Os resultados deste trabalho já foram publicados na revista. Ciência .
Os ímãs são caracterizados pelo fato de possuírem um pólo norte e um pólo sul. Se dois ímãs comuns forem mantidos próximos um do outro, pólos opostos se atraem e pólos semelhantes se repelem. É por isso que as agulhas magnéticas, como aqueles encontrados em uma bússola, alinham-se no campo magnético da Terra para que possamos usá-los para determinar as direções cardeais Norte e Sul e, derivado disso, Leste e oeste. No mundo que vivemos todos os dias com nossos sentidos, esta regra está correta. Contudo, se você deixar o mundo macroscópico e mergulhar em profundezas de dimensões muito menores, isso muda. Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI e do ETH Zurique descobriram agora uma interação magnética muito especial no nível de estruturas nanoscópicas feitas de camadas magnéticas com apenas alguns átomos de espessura.
Os átomos agem como minúsculas agulhas de bússola e desdobram seu efeito em distâncias minúsculas na faixa nanométrica, significando alguns milionésimos de milímetro. É por isso que os pesquisadores também os chamam de nanoímãs.
O fenômeno que os pesquisadores do PSI puderam observar agora se baseia em uma interação que os dois físicos Igor Dzyaloshinskii e Toru Mariya previram há mais de 60 anos. "Esse foi o nosso ponto de partida", diz Zhaochu Luo, físico do PSI e ETH Zurich.
Acoplamento noroeste e sudeste de átomos
Nesta interação, as agulhas da bússola atômica não se alinham apenas na direção Norte-Sul, mas também na direção Leste-Oeste. "Para onde eles apontam depende de como os átomos em sua vizinhança se orientam", diz Zhaochu Luo, primeiro autor do estudo. Por exemplo, se um grupo de átomos aponta para o norte, o grupo vizinho sempre aponta para o oeste. E se um grupo de átomos aponta para o sul, então os átomos vizinhos se orientam para o Leste.
Essas orientações podem ser revertidas por campos magnéticos ou correntes elétricas, isto é, de Norte para Sul e vice-versa. Os grupos atômicos vizinhos então se reorientam de acordo, tanto do oeste para o leste ou vice-versa.
Zhaochu Luo, autor principal do estudo, na frente da chamada ferramenta de deposição por pulverização catódica. No aparelho, as camadas de platina, são produzidos cobalto e óxido de alumínio. Cada camada tem apenas alguns nanômetros de espessura. Crédito:Instituto Paul Scherrer / Mahir Dzambegovic
Os pesquisadores descobriram o acoplamento da orientação noroeste e sudeste com a ajuda de uma camada de átomos de cobalto com apenas 1,6 nanômetros de espessura, que foi ensanduichada entre uma camada de platina de um lado e uma camada de óxido de alumínio do outro. "O desenvolvimento dessas camadas especiais apenas para nossos experimentos levou cerca de meio ano", diz Zhaochu Luo. Ele trabalha no grupo de pesquisa de Sistemas Mesoscópicos no PSI liderado por Laura Heyderman, que também é professor da ETH Zurique.
O que é incomum é que essa interação ocorre lateralmente, that is in one plane. Anteriormente, comparable couplings between nanomagnets could only be detected vertically, with groups of atoms arranged one above the other.
The phenomenon observed jointly by PSI and ETH Zurich researchers enables the development of planar magnetic networks. Entre outras coisas, synthetic antiferromagnets can be produced. In these antiferromagnets, atomic groups point either North or South at regular intervals. The number of opposing nanomagnets is approximately the same, so that they neutralize each other in sum. This is why, at first glance, antiferromagnets do not act like magnets—for example, they do not stick to a fridge door.
The neighbouring atoms, which are oriented either to the West or to the East, act as spacers separating the magnets pointing North or South, each of which is as small as a few nanometres. This makes it possible, por exemplo, to build new, more efficient computer memories and switches, which in turn makes microprocessors more powerful.
Logical gates for computers
The individual nanomagnets, which face either North or South, are suitable for constructing logic gates. A logic gate is a building block in a computer and functions as a kind of switch. Signals enter these gates and are then processed into an output signal. In a computer, many of these gates are networked to perform operations. Such a gate can also be constructed with the help of nanomagnets aligned to the North or South. These are analogous to processors commonly used today with transistors processing signals in binary form, which interpret all signals as zero or one. Nanomagnets that are oriented either North or South can also do this. This could make microprocessors more compact and efficient.
According to Pietro Gambardella, who supervised this study with Laura Heyderman, "this work provides a platform to design arrays of linked nanomagnets and achieve all-electric control of planar logic gates and storage devices", the scientists now write in Ciência .
