Ímanes com apenas um átomo de espessura confirmam uma teoria antiga da física

Ímanes com apenas uma camada atómica conseguem manter a sua ordem interna - uma descoberta recente que confirma, na prática, uma teoria da física com várias décadas.

Isto abre uma nova via para dispositivos de memória mais eficientes e para a forma como guardam informação.

Neste cenário, a gravação e a retenção de dados passariam a depender do magnetismo, evitando o desperdício energético associado a forçar carga eléctrica a atravessar fios.

Sinais em ímanes ultrafinos

Investigadores da Seoul National University (SNU) identificaram sinais em folhas cristalinas obtidas por esfoliação. Esses sinais de luz registaram o magnetismo no limite de espessura mais fino conhecido.

O professor Je-Geun Park observou o fenómeno no trisulfureto de fósforo e ferro, um cristal magnético em camadas muito finas. O seu trabalho mostrou que uma única camada continuava a comportar-se como um íman.

Essa camada preservou o antiferromagnetismo - um estado em que as direcções magnéticas de átomos vizinhos apontam em sentidos opostos - mesmo perto de 118 kelvin, cerca de -155 °C.

O resultado é relevante porque os ímanes comuns dependem de camadas atómicas empilhadas, o que torna ainda mais intrigante perceber como é que uma folha tão fina se mantém coesa do ponto de vista magnético.

Uma previsão antiga torna-se realidade

Uma solução matemática de 1944 já indicava que certos padrões magnéticos planos poderiam permanecer ordenados numa superfície bidimensional, mas os cristais continuavam, na prática, teimosamente tridimensionais.

Em geral, o calor desorganiza a ordem magnética em materiais ultrafinos, porque cada átomo passa a ter menos vizinhos - e, quando a espessura diminui drasticamente, há menos interacções a “segurar” essa ordem.

O material estudado por Park respondeu a este desafio ao evidenciar ordem dentro do próprio plano, onde cada átomo está ligado aos seus vizinhos mais próximos.

Sem ser mais espesso do que a sua folha atómica, este íman deu aos investigadores uma forma directa e clara de testar, pela primeira vez, previsões antigas da física.

Investimento numa ideia ainda não comprovada

Depois de Park começar a seguir esta linha de investigação em 2010, o apoio na Coreia do Sul garantiu o tempo e a evidência necessários para que as conclusões se consolidassem.

O Ministério da Ciência e das TIC da Coreia do Sul, a agência nacional responsável pela política científica, financiou o trabalho através de um programa de ciência básica de longo prazo.

Uma nova revisão acompanha agora essa evolução, num contexto em que, a nível mundial, surgem todos os anos mais de 1.000 artigos sobre o tema.

“É um feito que acontece uma vez em cem anos, se acontecer,” disse Park.

Preservação da ordem magnética

O magnetismo tem origem quando o spin do electrão - a direcção magnética intrínseca da partícula - se alinha de forma coerente em muitos átomos dentro de um sólido.

Nos ímanes convencionais, o empilhamento de várias camadas reforça esse alinhamento, permitindo ao material manter uma resposta norte-sul bem definida.

Nos cristais com apenas uma camada atómica, quase todo esse suporte desaparece, e cada folha tem de conservar a ordem apesar de uma perturbação térmica mais intensa.

Forças fortes no plano e preferências direccionais tornam possível que algumas folhas preservem o seu padrão, mesmo após perderem as camadas vizinhas de cima e de baixo.

A espectroscopia revela o alinhamento

A equipa de Park recorreu à espectroscopia Raman, um teste óptico que lê as vibrações do cristal, para registar a ordem magnética sem tocar na folha.

Quando a ordem magnética se estabeleceu, as vibrações alteraram-se, porque o movimento atómico e os spins dos electrões começaram a influenciar-se mutuamente.

Camada a camada, a temperatura de transição - o ponto em que a ordem magnética surge - manteve-se, na maior parte, praticamente igual desde o cristal espesso até à monocamada.

Essa estabilidade forneceu evidência mais robusta do que a que seria compatível com um mero efeito de superfície, um sinal de defeito, um acaso químico ou um artefacto frágil de laboratório.

Caminho para armazenamento de dados com baixo consumo

Os computadores do futuro precisam de memórias que retenham dados consumindo menos energia, sobretudo à medida que os sistemas de inteligência artificial assumem cargas de trabalho maiores.

Na área da memória, a spintrónica - electrónica que usa o spin em vez da carga - pretende transportar informação com menos calor desperdiçado.

Um bit magnético pode representar um um ou um zero ao manter a sua orientação depois de terminar o sinal de escrita.

Ímanes com um átomo de espessura poderiam reduzir o tamanho desse bit, mas apenas se os engenheiros conseguirem torná-los fiáveis à escala.

Empilhamento de materiais para controlo preciso

Os engenheiros conseguem empilhar ímanes bidimensionais de van der Waals - cristais magnéticos com espessura atómica, unidos por fracas atracções entre camadas - para formar dispositivos em camadas.

Cada folha adicional altera o comportamento magnético e eléctrico nas proximidades, porque os electrões “sentem” a configuração acima e abaixo.

Esta capacidade de empilhamento permite aos investigadores ajustar a passagem de corrente, observar a interacção com a luz e estudar como os estados magnéticos comutam dentro de dispositivos pequenos.

Um empilhamento rigoroso pode sustentar memórias compactas, enquanto interfaces mal feitas eliminariam a vantagem prometida antes mesmo de a produção começar.

Comportamento de ímanes extremamente finos

Para lá da memória, estes ímanes finos permitem que luz e magnetismo se influenciem de formas invulgarmente directas.

Um excitão magnético - um par de electrões associado à luz e afectado pelo magnetismo - pode mostrar como a energia se desloca através da folha.

Impulsos curtos de luz também conseguem empurrar os spins para estados temporários, alterando o comportamento antes de o material voltar a estabilizar.

Este tipo de controlo nasce de física de laboratório, mas oferece aos construtores de dispositivos novas opções de comando para além de cablagem e calor.

Barreiras antes de chegar a dispositivos

Os produtos comerciais enfrentam exigências mais duras do que as escamas testadas em laboratório, começando por temperatura de operação, durabilidade e fabrico repetível.

Muitos ímanes atómicos conhecidos funcionam apenas a temperaturas muito baixas, em que os custos de arrefecimento limitam o uso quotidiano fora de equipamento especializado.

As grandes empresas tecnológicas também precisam de materiais compatíveis com fábricas de chips já existentes, e não apenas com bancadas de física e amostras delicadas.

“O caminho que falta é expandir esta tecnologia de base para uma tecnologia utilizável,” disse Park.

O futuro dos ímanes é fino

Ímanes com um átomo de espessura oferecem agora respostas a uma questão antiga da física, a um risco científico assumido na Coreia e à corrida tecnológica actual para armazenar dados com menos energia.

Materiais melhores, temperaturas de funcionamento mais elevadas e produção escalável vão determinar se esta física consegue transformar-se em hardware com utilidade prática.