Elucidado enigma do momento angular perdido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/02/2022

É tudo muito rápido, tudo minúsculo, mas o momento angular continua sendo conservado.
[Imagem: S. R. Tauchert et al. - 10.1038/s41586-021-04306-4]

Efeito Einstein-de Haas

Em um sistema físico fechado, a soma de todos os momentos angulares permanece constante - é o que diz uma importante lei da física sobre a conservação.

Neste contexto, o momento angular não precisa necessariamente envolver rotação "real" do objeto: Os materiais magnéticos têm momento angular mesmo que, quando vistos de fora, estão em repouso - Albert Einstein e Wander Johannes de Haas conseguiram provar isso já em 1915.

Agora, se esse material magnetizado for bombardeado com pulsos curtos de laser, ele perderá sua ordem magnética extremamente rápido: Dentro de femtossegundos - um milionésimo de um bilionésimo de segundo - ele se desmagnetiza. O momento angular dos elétrons no material - também chamado de spin - diminui abruptamente, muito mais rápido do que o material pode se colocar em rotação.

De acordo com o princípio de conservação, no entanto, o momento angular não pode simplesmente ser perdido. Então, para onde o momento angular de rotação é transferido em tão pouco tempo?

Conservação do momento angular

A solução para esse enigma foi encontrada agora, quando Sonja Tauchert e seus colegas da Universidade Constanza, na Alemanha, estavam investigando a desmagnetização de cristais de níquel. Para isso, a equipe estava usando difração de elétrons ultrarrápida, um método de medição altamente preciso em termos de tempo e espaço, que pode tornar visível o curso das mudanças estruturais no nível atômico.

Tauchert conseguiu demonstrar que os elétrons do cristal transferem seu momento angular para os átomos da rede cristalina em algumas centenas de femtossegundos (10^-15 segundo) durante a desmagnetização.

De modo parecido com o que acontece com os passageiros de um carrossel, os átomos são postos em movimento em pequenos circuitos e, assim, equilibram o momento angular. É apenas muito mais tarde e mais lentamente que começa o efeito de rotação macroscópica que Einstein e de Haas previram, e que hoje pode ser medido mecanicamente.

A princípio, alguns átomos começam a se mover em órbitas circulares em torno de sua posição original de repouso. Ao interagir com os átomos vizinhos, este movimento e, portanto, o momento angular, é muito rapidamente transferido para todos os outros átomos. Finalmente, toda a rede cristalina oscila uniformemente em pequenas órbitas circulares.

Os físicos normalmente chamam uma vibração de coletiva de uma matriz como um "fônon" - neste caso especial, esses fônons são polarizados circularmente e, portanto, carregam momento angular.

A descoberta tem aplicações diretas no armazenamento de dados e na computação baseada no magnetismo.
[Imagem: S. R. Tauchert et al. - 10.1038/s41586-021-04306-4]

Computação baseada em magnetismo

Parece um bocado de teoria, mas esta descoberta mostra novas maneiras de controlar o momento angular de forma extremamente rápida, abrindo novas possibilidades para melhorar as tecnologias de informação baseadas no armazenamento magnético de dados, ou novas direções de pesquisa em spintrônica.

Por exemplo, esses efeitos podem ser usados para controlar materiais magnéticos usando laser e, potencialmente, criar alternativas mais eficientes à eletrônica convencional.

"Esperamos que isso nos permita produzir componentes aprimorados no futuro. Ao contrário dos circuitos eletrônicos atuais, eles funcionariam com transporte de spin [magnetismo], em vez de transporte de carga [elétrica], o que seria significativamente mais eficiente em termos energéticos," explicou o professor Ulrich Nowak. "Ao demonstrar que as vibrações da rede podem transportar um spin, abrimos um caminho novo e potencialmente promissor para novos dispositivos em spintrônica."

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