Matéria controlada pela luz: Mude a cor e este mineral passa de condutor a isolante

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/06/2024

A luz de uma cor precisa consegue alterar a organização dos átomos de ferro e oxigênio no bem conhecido mineral magnético magnetita.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Matéria alterada pela luz

Pesquisadores suíços descobriram que, disparando diferentes cores de luz sobre o bem conhecido mineral magnetita, é possível mudar seu estado, por exemplo tornando-o mais ou menos condutor de eletricidade.

Esta descoberta abre caminho paa a criação de novos materiais para a eletrônica, como armazenamento de memória, sensores e outros componentes que dependem de respostas materiais rápidas e eficientes.

A magnetita (Fe₃O₄) é um material bem estudado, conhecido por uma interessante transição de condutor para isolante em baixas temperaturas - desde ser capaz de conduzir eletricidade até bloqueá-la ativamente. Esse fenômeno é conhecido como transição de Verwey e altera significativamente as propriedades eletrônicas e estruturais da magnetita.

Uma transição de fase é uma mudança no estado de um material devido a mudanças de temperatura, pressão ou outras condições externas. Um exemplo cotidiano é o da água, que passa de gelo sólido para líquido e de líquido para gasoso conforme a temperatura sobe. Na magnetita, não é o calor que induz a mudança, mas a luz, em um nível imensamente menor de energia.

"Algum tempo atrás, mostramos que é possível induzir uma transição de fase inversa na magnetita," contou Fabrizio Carbone, da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL). "É como se você pegasse água e pudesse transformá-la em gelo colocando energia nela com um laser. Isso é contra-intuitivo, pois normalmente, para congelar a água, você a resfria, ou seja, remove a energia dela."

Fases ocultas da matéria

Ao tentar elucidar e controlar as propriedades estruturais microscópicas da magnetita durante essas transições de fase induzidas pela luz, a equipe descobriu agora que, usando comprimentos de onda de luz específicos (cores precisas) para fotoexcitação, a magnetita pode ser levada a assumir estados metaestáveis fora do equilíbrio, chamados de "fases ocultas", revelando assim um novo protocolo para manipular as propriedades de um material em escalas de tempo ultrarrápidas.

Um estado de equilíbrio é basicamente um estado estável onde as propriedades de um material não mudam ao longo do tempo porque as forças dentro dele estão equilibradas. Quando esse equilíbrio se quebra, diz-se que o material entrou em um estado de não-equilíbrio, apresentando propriedades que podem ir do exótico ao imprevisível. Um estado metaestável, por sua vez, significa que o estado pode mudar sob certas condições.

As transições de fase geralmente seguem caminhos previsíveis sob condições de equilíbrio. Mas, quando os materiais saem do equilíbrio, eles podem começar a mostrar as tais "fases ocultas", estados intermediários que normalmente não são acessíveis. A observação de fases ocultas requer técnicas avançadas que sejam capazes de capturar mudanças rápidas e mínimas na estrutura cristalina do material. Então, é só registrar as condições precisas que geraram essa mudança, para que ela possa ser explorada de maneira controlada.

Foi isto que a equipe conseguiu fazer agora, observando a complexa interação da estrutura cristalina, carga e ordens orbitais da magnetita quando ela sofre uma transição metal-isolante induzida apenas pela luz.

A magnetita bateu o recorde de chaveamento elétrico.
[Imagem: Greg Stewart/SLAC]

Controle da matéria

Os experimentos usaram dois comprimentos de onda diferentes de luz: Infravermelho próximo (800 nm) e luz visível (400 nm). Quando excitada com pulsos de luz de 800 nm, a estrutura da magnetita foi perturbada, criando uma mistura de regiões metálicas e isolantes. Em contraste, os pulsos de luz de 400 nm tornaram a magnetita um isolante mais estável.

A luz de 800 induziu uma rápida compressão da rede monoclínica (cada célula tem o formato de uma caixa torta) da magnetita, transformando-a em uma estrutura cúbica. Isso ocorre em três estágios ao longo de 50 picossegundos, indicando que existem interações dinâmicas complexas acontecendo dentro do material. Por outro lado, a luz visível de 400 nm fez com que a rede se expandisse, reforçando a rede monoclínica e criando uma fase mais ordenada - um isolante estável.

"Nosso estudo abre caminho para uma nova abordagem para controlar a matéria em escala de tempo ultrarrápida usando pulsos de fótons personalizados," escreveram os pesquisadores. Ser capaz de induzir e controlar fases ocultas na magnetita pode ter implicações significativas para o desenvolvimento de materiais e dispositivos avançados. Por exemplo, materiais que podem alternar entre diferentes estados eletrônicos de forma rápida e eficiente poderiam ser usados em dispositivos de computação e memória de próxima geração.

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