Pesquisadores da NTNU estão esclarecendo materiais magnéticos em pequenas escalas criando filmes com a ajuda de alguns 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, se propuseram a observar como microímãs de película fina se alteram quando perturbados por 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.
Pequenos ímãs
Einar Standal Digernes inventou os pequenos ímãs quadrados usados nos experimentos.
Os pequenos ímãs quadrados, criados pelo candidato a doutorado da NTNU, Einar Standal Digernes, 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, grupos menores de átomos se unem em áreas chamadas domínios, nas quais todos os elétrons têm a mesma orientação magnética.
Nos ímãs 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 apontam na mesma direção”, diz Folven. “Eles podem crescer e encolher, e então podem se fundir.”
Elétrons quase na velocidade da luz
Não é fácil ver isso acontecer. Os pesquisadores levaram seus microímãs a um síncrotron em forma de rosca de 80 m de largura, conhecido como BESSY II, em Berlim, onde elétrons são acelerados até viajarem quase à velocidade da luz. Esses elétrons em movimento rápido emitem raios X extremamente brilhantes.
“Pegamos esses raios X e os usamos como luz em nosso microscópio”, diz Folven.
Como os elétrons viajam ao redor do síncrotron em grupos separados por dois nanossegundos, os raios X que eles emitem vêm em pulsos precisos.
Um microscópio de raios X de transmissão por varredura, ou STXM, captura esses raios X para criar uma imagem instantânea da estrutura magnética do material. Ao unir essas imagens, os pesquisadores podem essencialmente criar um filme mostrando como o microímã muda ao longo do tempo.
Com a ajuda do STXM, Folven e seus colegas perturbaram seus microímãs com um pulso de corrente que gerou um campo magnético e viram os domínios mudarem de forma e o núcleo do vórtice se mover do centro.
"Você tem um ímã muito pequeno, e então o cutuca e tenta imaginá-lo enquanto ele se acomoda novamente", diz ele. Depois, eles viram o núcleo retornar ao centro — mas por um caminho sinuoso, não em linha reta.
“Ele vai meio que dançar de volta para o centro”, diz Folven.
Um deslize e acabou
Isso ocorre porque eles estudam materiais epitaxiais, que são criados sobre um substrato que permite aos pesquisadores ajustar as propriedades do material, mas bloquearia os raios X em um STXM.
Trabalhando no NTNU NanoLab, os pesquisadores resolveram o problema do substrato enterrando seu microímã sob uma camada de carbono para proteger suas propriedades magnéticas.
Em seguida, eles removeram com cuidado e precisão o substrato subjacente com um feixe focalizado de íons de gálio até restar apenas uma camada muito fina. O processo meticuloso podia levar oito horas por amostra — e um deslize poderia significar um desastre.
“O fundamental é que, se você eliminar o magnetismo, não saberemos disso antes de chegarmos a Berlim”, diz ele. “O truque, claro, é trazer mais de uma amostra.”
Da física fundamental aos dispositivos futuros
Felizmente, funcionou, e a equipe usou amostras cuidadosamente preparadas para mapear como os domínios do microímã aumentam e diminuem ao longo do tempo. Eles também criaram simulações computacionais para entender melhor quais forças estavam em ação.
Além de avançar nosso conhecimento da 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 usado para armazenamento de dados, mas pesquisadores estão atualmente buscando maneiras de explorá-lo ainda mais. As orientações magnéticas do núcleo do vórtice e os domínios de um microímã, por exemplo, poderiam ser usados para codificar informações na forma de 0s e 1s.
Os pesquisadores agora pretendem repetir esse trabalho com materiais antiferromagnéticos, onde o efeito líquido dos momentos magnéticos individuais se anula. Esses materiais são promissores em termos de computação — em teoria, materiais antiferromagnéticos poderiam ser usados para fabricar dispositivos que consomem pouca energia e permanecem estáveis mesmo em caso de queda de energia —, mas são muito mais complexos de investigar, pois os sinais que produzem serão muito mais fracos.
Apesar desse desafio, Folven está otimista. "Já cobrimos o primeiro passo, mostrando que podemos produzir amostras e analisá-las com raios X", diz ele. "O próximo passo será verificar se conseguimos produzir amostras de qualidade suficientemente alta para obter sinal suficiente de um material antiferromagnético."
Data de publicação: 10 de maio de 2021