Pesquisadores da NTNU estão lançando luz sobre materiais magnéticos em pequenas escalas, criando filmes com a ajuda de raios X extremamente brilhantes.
Erik Folven, codiretor do grupo de eletrônica de óxidos do Departamento de Sistemas Eletrônicos da NTNU, e colegas da NTNU e da Universidade de Ghent, na Bélgica, propuseram-se a investigar como micromagnéticos de filme fino se comportam quando submetidos a um campo magnético externo. O trabalho, parcialmente financiado pela NTNU Nano e pelo Conselho de Pesquisa da Noruega, foi publicado na revista Physical Review Research.
Ímãs minúsculos
Einar Standal Digernes inventou os minúsculos ímãs quadrados usados nos experimentos.
Os minúsculos ímãs quadrados, criados pelo candidato a doutorado Einar Standal Digernes da NTNU, têm apenas dois micrômetros de largura e são divididos em quatro domínios triangulares, cada um com uma orientação magnética diferente, apontando no sentido horário ou anti-horário ao redor dos ímãs.
Em certos materiais magnéticos, pequenos grupos de átomos se agrupam em áreas chamadas domínios, nas quais todos os elétrons têm a mesma orientação magnética.
Nos ímãs da NTNU, esses domínios se encontram em um ponto central — o núcleo do vórtice — onde o momento magnético aponta diretamente para dentro ou para fora do plano do material.
“Quando aplicamos um campo magnético, cada vez mais desses domínios apontarão na mesma direção”, diz Folven. “Eles podem crescer e encolher, e então podem se fundir uns nos outros.”
Elétrons quase à velocidade da luz
Observar isso acontecer não é fácil. Os pesquisadores levaram seus micromagnéticos para um síncrotron em forma de rosca com 80 metros de diâmetro, conhecido como BESSY II, em Berlim, onde os elétrons são acelerados até atingirem velocidades próximas à da luz. Esses elétrons em alta velocidade emitem raios X extremamente brilhantes.
“Nós captamos esses raios X e os utilizamos como luz em nosso microscópio”, diz Folven.
Como os elétrons se movem ao redor do síncrotron em feixes separados por dois nanossegundos, os raios X que eles emitem chegam em pulsos precisos.
Um microscópio de transmissão de raios X por varredura, ou STXM, utiliza esses raios X para criar uma imagem instantânea da estrutura magnética do material. Ao combinar essas imagens instantâneas, os pesquisadores conseguem criar essencialmente um filme que mostra como o micromagnético se altera ao longo do tempo.
Com a ajuda do STXM, Folven e seus colegas perturbaram seus micromagnéticos com um pulso de corrente que gerou um campo magnético e observaram os domínios mudarem de forma e o núcleo do vórtice se mover do centro.
“Você tem um ímã muito pequeno, e então você o cutuca e tenta obter uma imagem dele enquanto ele se estabiliza novamente”, diz ele. Depois, eles viram o núcleo retornar ao centro — mas seguindo um caminho sinuoso, não em linha reta.
“Vai meio que voltar ao centro”, diz Folven.
Um deslize e tudo acaba.
Isso porque eles estudam materiais epitaxiais, que são criados sobre um substrato que permite aos pesquisadores ajustar as propriedades do material, mas que bloquearia os raios X em um STXM.
Trabalhando no NTNU NanoLab, os pesquisadores resolveram o problema do substrato enterrando seu micromagnético sob uma camada de carbono para proteger suas propriedades magnéticas.
Em seguida, eles removeram cuidadosamente e com precisão o substrato subjacente com um feixe concentrado de íons de gálio até que restasse apenas uma camada muito fina. O processo meticuloso podia levar oito horas por amostra — e um único deslize poderia ser desastroso.
“O ponto crucial é que, se eliminarmos o magnetismo, não saberemos disso antes de estarmos em Berlim”, diz ele. “O truque é, obviamente, trazer mais de uma amostra.”
Da física fundamental aos dispositivos do futuro
Felizmente, funcionou, e a equipe usou suas amostras cuidadosamente preparadas para mapear como os domínios do micromagneto crescem e diminuem ao longo do tempo. Eles também criaram simulações computacionais para entender melhor quais forças estavam em ação.
Além de ampliar nosso conhecimento sobre física fundamental, entender como o magnetismo funciona nessas escalas de comprimento e tempo pode ser útil na criação de dispositivos futuros.
O magnetismo já é utilizado para armazenamento de dados, mas os pesquisadores estão buscando maneiras de explorá-lo ainda mais. As orientações magnéticas do núcleo e dos domínios de um micromagneto, por exemplo, poderiam ser usadas para codificar informações na forma de 0s e 1s.
Os pesquisadores agora pretendem repetir esse trabalho com materiais antiferromagnéticos, nos quais o efeito líquido dos momentos magnéticos individuais se cancela. Esses materiais são promissores para a computação — em teoria, poderiam ser usados para fabricar dispositivos que exigem pouca energia e permanecem estáveis mesmo em caso de queda de energia —, mas são muito mais difíceis de investigar, pois os sinais que produzem serão muito mais fracos.
Apesar desse desafio, Folven está otimista. "Já demos o primeiro passo, mostrando que conseguimos produzir amostras e analisá-las com raios X", afirma. "O próximo passo será verificar se conseguimos produzir amostras com qualidade suficiente para obter um sinal adequado de um material antiferromagnético."
Data da publicação: 10 de maio de 2021