Ímanes com apenas um átomo de espessura mantêm a ordem interna

Ímanes com apenas um átomo de espessura conseguem preservar a sua ordem interna - uma descoberta que confirma, na prática, uma teoria da física formulada há décadas.

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

Neste modelo, o armazenamento poderia basear-se em magnetismo, em vez de gastar energia ao forçar carga eléctrica a atravessar fios.

Sinais em ímanes finos

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

O professor Je-Geun Park detectou este efeito no trissulfureto de fósforo e ferro, um cristal magnético fino e em camadas. O seu trabalho mostrou que uma única camada continuava a comportar-se como um material magnético.

A folha manteve o antiferromagnetismo - um regime em que as direcções magnéticas de átomos vizinhos apontam em sentidos opostos - mesmo perto de 118 kelvin, cerca de -244 graus Fahrenheit. (155°C)

O resultado é relevante porque os ímanes comuns dependem de várias camadas atómicas empilhadas, o que levantava a questão de como é que uma folha isolada conseguia manter a sua coerência.

Uma previsão com décadas torna-se realidade

Uma solução matemática de 1944 já indicava que certos padrões magnéticos planos poderiam manter-se ordenados “numa folha de papel”, mas os cristais insistiam em comportar-se como sistemas tridimensionais.

Em geral, o calor desorganiza a ordem magnética em materiais ultrafinos, porque cada átomo passa a ter menos vizinhos estáveis quando a espessura se reduz ao extremo.

O material estudado por Park contrariou esse problema ao evidenciar ordem dentro do próprio plano, onde cada átomo se liga aos vizinhos mais próximos.

Sem ser mais espesso do que a sua própria folha atómica, este íman deu aos investigadores uma forma clara de testar directamente a física clássica, algo que não tinha sido possível antes.

Investimento numa ideia por provar

Depois de Park ter começado a perseguir esta hipótese em 2010, o apoio na Coreia do Sul deu margem para reunir evidências e tempo suficientes para que as afirmações amadurecessem.

O Ministério da Ciência e 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 análise acompanha agora essa evolução, num contexto em que surgem anualmente mais de 1.000 artigos em todo o mundo.

“É uma conquista que acontece uma vez em cem anos, se acontecer”, afirmou Park.

Preservação da ordem magnética

O magnetismo surge quando o spin dos electrões - a direcção magnética intrínseca de uma partícula - se alinha ao longo de muitos átomos no interior de um sólido.

Nos ímanes convencionais, múltiplas camadas empilhadas reforçam esse alinhamento, permitindo ao material manter uma resposta nítida de norte-sul.

Já os cristais com um único átomo de espessura eliminam a maior parte desse suporte, obrigando cada camada a preservar a ordem sob perturbações térmicas mais intensas.

Forças fortes dentro do plano e preferências direccionais podem permitir que algumas folhas mantenham o seu padrão, apesar de perderem as camadas vizinhas acima e abaixo.

A espectroscopia revela o alinhamento

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

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

Camada a camada, a temperatura de transição - o ponto em que a ordem magnética aparece - manteve-se praticamente inalterada desde o cristal espesso até à monocamada.

Essa estabilidade produziu resultados mais robustos do que os que se esperariam de um simples efeito de superfície, de um sinal causado por defeitos, de um acaso químico ou de um artefacto laboratorial frágil.

Rota para armazenamento de dados com baixa energia

Os computadores do futuro precisam de memórias que preservem dados com menor consumo energético, sobretudo à medida que os sistemas de inteligência artificial lidam com cargas de trabalho maiores.

Para esse tipo de memória, a spintrónica - electrónica que usa spin em vez de carga - procura transportar informação com menos calor desperdiçado.

Um bit magnético pode guardar um um ou um zero ao manter a sua direcção 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 em escala.

Empilhar materiais para controlo preciso

Os engenheiros podem empilhar ímanes bidimensionais de van der Waals - cristais magnéticos com espessura atómica mantidos por atracções fracas entre camadas - e formar dispositivos em camadas.

Cada folha acrescentada altera o comportamento magnético e eléctrico nas proximidades, porque os electrões “sentem” a disposição tanto acima como abaixo.

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

Uma montagem precisa pode sustentar memórias compactas, enquanto interfaces mal controladas eliminariam a vantagem prometida ainda antes de começar a produção.

Comportamento do magnetismo ultrafino

Para lá da memória, estes ímanes finos também permitem que luz e magnetismo se influenciem de forma invulgarmente directa.

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

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

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

Barreiras antes dos dispositivos

Os dispositivos comerciais enfrentam provas mais exigentes do que as “lâminas” de laboratório, começando por temperatura, durabilidade e fabrico repetível.

Muitos ímanes com um átomo de espessura 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 existentes, e não apenas com bancadas de física e amostras delicadas.

“O caminho que falta é expandir esta tecnologia central para algo utilizável”, disse Park.

O futuro dos ímanes é fino

Os ímanes com apenas um átomo de espessura passam agora a responder a uma questão antiga da física, a justificar uma aposta arriscada da investigação coreana e a encaixar na corrida tecnológica moderna para guardar dados com menos energia.

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