Dois materiais impossíveis são unidos em um melhor ainda

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/04/2025

Esquema do sanduíche quântico do semimetal de Weyl e do gelo de spin.
[Imagem: ACS/Nano Letters]

O segredo está na interface

A grande maioria das tecnologias de ponta - de transistores e LEDs a células solares e supercondutores - não é fabricada de um material único, mas de uma mescla de materiais.

Isto porque a maioria dos fenômenos mais interessantes não ocorre no meio de um material puro, mas na interface entre dois materiais - essas interfaces são o coração das famosas heterojunções, as junções de dois materiais diferentes.

Sabendo disso, Mikhail Kareev e colegas da Universidade Rutgers, nos EUA, se dedicaram logo a fazer uma interface entre dois materiais emergentes, ambos com enorme potencial tecnológico: um semimetal de Weyl e um gelo de spin.

De tão exóticos, esses materiais são chamados de "materiais impossíveis" porque suas propriedades são tão inusitadas - e únicas até agora - que desafiam a compreensão convencional da física quântica.

Um semimetal de Weyl é um material quântico descoberto recentemente que possui propriedades topológicas, ou seja, o que acontece nas suas bordas é diferente do que acontece no seu interior. Essa classe de materiais já está sendo pesquisada para novas formas de armazenar informações e até para um tipo ainda inexplorado de computação quântica.

O gelo de spin é um material artificial formado por uma malha de nanoímãs organizados em um padrão geométrico específico - uma rede dipolar - que os faz interagirem uns com os outros. Ele também é topológico e vem sendo usado principalmente em experimentos científicos, como o que rendeu o Nobel de Física de 2021, mas também já se sabe que ele pode dar origem a um motor magnético sem partes móveis.

Dá para imaginar então o que poderá ser possível fazer agora que os dois materiais foram unidos, gerando uma interface para lá de interessante.

A equipe precisou desenvolver um equipamento único para conseguir sintetizar o novo material, fazendo suas redes atômicas coincidirem precisamente, para que os dois materiais iniciais se unissem.
[Imagem: Jeff Arban/Rutgers University]

Sanduíche quântico

Assim como os dois materiais individualmente já foram considerados impossíveis, fazer uma heterojunção dos dois era igualmente considerada impraticável. Mas, fazendo um impossível de cada vez, a equipe sintetizou uma estrutura exótica que deverá ter ainda mais aplicações do que as partes individualmente.

Foram quatro anos de experimentação contínua para projetar e construir um sanduíche único e minúsculo, composto de várias camadas atômicas.

Uma fatia da estrutura microscópica é feita de titanato de disprósio (Dy₂Ti₂O₇), um composto inorgânico usado em reatores nucleares para capturar materiais radioativos e conter partículas monopolares magnéticas elusivas. A outra fatia é composta de iridato de pirocloro (Eu₂Ir₂O₇), um novo semimetal magnético usado principalmente na pesquisa experimental devido às suas propriedades eletrônicas, topológicas e magnéticas únicas.

A construção dessa estrutura exótica em sanduíche cria uma nova plataforma experimental no campo das interfaces, a área onde os materiais se encontram, na escala atômica - o que os físicos chamam de materiais quânticos.

"Este trabalho fornece uma nova maneira de projetar materiais quânticos bidimensionais artificiais inteiramente novos, com o potencial de impulsionar as tecnologias quânticas e fornecer uma visão mais profunda de suas propriedades fundamentais de maneiras que antes eram impossíveis," disse o professor Jak Chakhalian.

Micrografias da nova interface quântica.
[Imagem: Mikhail Kareev et al. - 10.1021/acs.nanolett.4c03969]

Materiais impossíveis

O titanato de disprósio é um gelo de spin, no qual pequenos ímãs - os spins - são dispostos de uma forma que se parece exatamente com o padrão do gelo de água. A estrutura única dos pequenos ímãs no gelo de spin permite que eles funcionem como partículas especiais, chamadas monopolos magnéticos. Esses ímãs sem polos, previstos em 1931 por Paul Dirac, não existem em forma livre no Universo e, ainda assim, dentro do gelo de spin eles emergem como resultado das interações mecânicas quânticas entre as partículas constituintes.

O iridato de pirocloro semimetálico também é considerado exótico porque contém pequenas partículas relativísticas chamadas férmions de Weyl. Previstos por Hermann Weyl em 1929, essas partículas exóticas só foram encontradas em 2015 em cristais. Elas movem-se como a luz e podem girar de diferentes maneiras, para a esquerda ou para a direita.

Suas propriedades eletrônicas são muito fortes e resistem a certos tipos de perturbações ou impurezas - esta é uma das principais características dos materiais topológicos -, tornando-as muito estáveis quando operadas como parte de dispositivos eletrônicos, por exemplo, como qubits imunes a ruídos. Como resultado, o iridato de pirocloro pode conduzir eletricidade muito bem, responder de maneiras incomuns a campos magnéticos e mostrar efeitos especiais quando exposto a campos eletromagnéticos.

As propriedades combinadas do novo material agora criado o tornam um candidato promissor para uso em tecnologias avançadas, incluindo a computação quântica e, especialmente, para sensores quânticos de próxima geração. "Este estudo é um grande passo à frente na síntese de materiais e pode impactar significativamente a maneira como criamos sensores quânticos e avançamos os componentes spintrônicos," disse Chakhalian.

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