Pesquisadores da PSI observaram pela primeira vez como pequenos ímãs em um layout especial se alinham apenas como resultado de mudanças de temperatura. Essa visão dos processos que ocorrem no chamado gelo artificial pode desempenhar um papel importante no desenvolvimento de novos computadores de alto desempenho. Os resultados foram publicados hoje na revista Nature Physics .
Quando a água congela para formar gelo, as moléculas de água, com seus átomos de hidrogênio e oxigênio, se organizam em uma estrutura complexa. Água e gelo são fases diferentes, e a transformação de água em gelo é chamada de transição de fase. Em laboratório, podem ser produzidos cristais nos quais os momentos magnéticos elementares, os chamados spins, formam estruturas comparáveis ​​ao gelo. É por isso que os pesquisadores também se referem a essas estruturas como gelo giratório. “Produzimos gelo artificial, que consiste essencialmente em nanoímãs tão pequenos que sua orientação só pode mudar em função da temperatura”, explica o físico Kevin Hofhuis, que acaba de concluir sua tese de doutorado na PSI e agora trabalha na Universidade de Yale. nos E.U.A..

No material que os pesquisadores usaram, os nanoímãs estão dispostos em estruturas hexagonais – um padrão conhecido da arte japonesa de cestaria sob o nome de kagome. “As transições de fase magnética foram teoricamente previstas para o gelo artificial kagome, mas nunca foram observadas antes”, diz Laura Heyderman, chefe do Laboratório de Experimentos de Materiais Multiescala da PSI e professora da ETH Zurich. "A detecção de transições de fase só foi possível agora graças ao uso de litografia de última geração para produzir o material na sala limpa PSI, bem como um método especial de microscopia no Swiss Light Source SLS". A revista Nature Physics está agora publicando os resultados desses experimentos.

O truque:pequenas pontes magnéticas

Para suas amostras, os pesquisadores usaram um composto de níquel-ferro chamado permalloy, que foi revestido como um filme fino em um substrato de silício. Eles usaram um processo de litografia para formar repetidamente um pequeno padrão hexagonal de nanoímãs, com cada nanoímã tendo aproximadamente meio micrômetro (milionésimos de metro) de comprimento e um sexto de um micrômetro de largura. Mas isso não é tudo. "O truque foi que conectamos os nanoímãs com pequenas pontes magnéticas", diz Hofhuis. "Isso levou a pequenas mudanças no sistema que nos permitiram ajustar a transição de fase de forma que pudéssemos observá-la. No entanto, essas pontes tinham que ser muito pequenas, porque não queríamos alterar o sistema muito."

O físico ainda está espantado com o sucesso dessa empreitada. Com a criação das nanopontes, ele estava indo contra os limites da resolução espacial tecnicamente possível dos métodos de litografia atuais. Algumas das pontes têm apenas dez nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro. As ordens de magnitude neste experimento são realmente impressionantes, diz Hofhuis:"Enquanto as menores estruturas em nossa amostra estão na faixa de nanômetros, o instrumento para imaginá-las - SLS - tem uma circunferência de quase 300 metros". Heyderman acrescenta:"As estruturas que examinamos são 30 bilhões de vezes menores do que os instrumentos com os quais as examinamos".

Microscopia e teoria

Na linha de luz SIM do SLS, a equipe usou um método especial chamado microscopia eletrônica de fotoemissão que possibilitou observar o estado magnético de cada nanoímã individual na matriz. Eles foram ativamente apoiados por Armin Kleibert, o cientista responsável pelo SIM. "Conseguimos gravar um vídeo que mostra como os nanoímãs interagem uns com os outros à medida que mudamos a temperatura", resume Hofhuis. As imagens originais simplesmente contêm contraste em preto e branco que muda de tempos em tempos. A partir disso, os pesquisadores conseguiram deduzir a configuração dos spins, ou seja, o alinhamento dos momentos magnéticos.

"Se você assiste a um vídeo como esse, não sabe em que fase está", explica Hofhuis. This called for theoretical consideration, which was contributed by Peter Derlet, PSI physicist and adjunct professor at ETH Zurich. His simulations showed what should theoretically happen at the phase transitions. Only the comparison of the recorded images with these simulations proved that the processes observed under the microscope actually are phase transitions.

Manipulating phase transitions

The new study is another achievement in the investigation of artificial spin ice that Laura Heyderman's group has been pursuing for more than a decade. "The great thing about these materials is that we can tailor them and see directly what is happening inside them," the physicist says. "We can observe all sorts of fascinating behavior, including the phase transitions and ordering that depend on the layout of the nanomagnets. This is not possible with spin systems in conventional crystals." Although these investigations are still pure fundamental research at the moment, the researchers are already thinking about possible applications. "Now we know that we can see and manipulate different phases in these materials, new possibilities are opening up," says Hofhuis.

Controlling different magnetic phases could be interesting for novel types of data processing. Researchers at PSI and elsewhere are investigating how the complexity of artificial spin ice could be used for novel high-speed computers with low power consumption. "The process is based on the information processing in the brain and takes advantage of how the artificial spin ice reacts to a stimulus such as a magnetic field or an electric current," explains Heyderman. + Explorar mais

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