Magnetismo é controlado com luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/02/2022

O controle do magnetismo é feito por meio de quasipartículas chamadas éxcitons.
[Imagem: Carina A. Belvin et al. - 10.1038/s41467-021-25164-8]

Memórias magnéticas

Os físicos ainda estavam comemorando o controle do magnetismo com eletricidade, quando uma equipe da Coreia do Sul, EUA e Hong Kong finalmente conseguiu o tão sonhado controle do magnetismo com luz.

Esse controle à distância pode viabilizar inúmeras aplicações, incluindo memórias de computador que não perdem os dados, que podem ser lidas e gravadas de maneira muito mais rápida e que não esquentem como as memórias atuais.

O controle do magnetismo pela luz não age diretamente sobre os átomos do material, mas sobre quasipartículas chamadas éxcitons, formadas quando uma carga negativa (elétron) se une a uma carga positiva (lacuna) sem que ambas se destruam - graças aos "mistérios" da mecânica quântica, o elétron e a lacuna ficam conectados e podem se "comunicar" um com o outro por meio de interações eletrostáticas.

Já se sabia que os éxcitons podem ser gerados e controlados pela luz, mas a coisa se mostrou diferente no material no qual a equipe estava trabalhando, o trissulfeto de fósforo-níquel (NiPS₃).

"Os éxcitons neste material são bastante únicos, pois são acoplados ao magnetismo no sistema. Foi bastante impressionante poder 'chutar' os éxcitons com luz e observar as mudanças associadas no magnetismo," contou o professor Nuh Gedik, do MIT.

Controle do magnetismo com luz

Os éxcitons do NiPS₃ são "vestidos" - lembre-se dos qubits vestidos -, ou seja, afetados pelo ambiente que os cerca. E, neste caso, esse ambiente é o magnetismo. "Então, o que descobrimos é que, excitando esses éxcitons, podemos realmente manipular o magnetismo no material," contou a pesquisadora Carina Belvin, que foi quem descobriu o efeito.

Um ímã funciona por causa de uma propriedade dos elétrons chamada spin (outra propriedade mais familiar dos elétrons é sua carga elétrica, que é negativa). O spin pode ser pensado como um ímã elementar, no qual os elétrons de um átomo são como pequenas agulhas de uma bússola orientadas de uma certa maneira. Nos ímãs de sua geladeira, todos os spins apontam na mesma direção, por isso aquele material é conhecido como ferromagnético. No material usado pela equipe, os spins alternados apontam em direções opostas, formando um antiferromagneto.

Carina descobriu que um pulso de luz faz com que cada uma das pequenas "agulhas" no NiPS₃ comece a girar. Os spins rotativos ficam então sincronizados e formam uma onda que se espalha por todo o material, conhecida como onda de spin, que é a base de toda a spintrônica - ao usar o spin dos elétrons, a spintrônica vai além da eletrônica, que é baseada em sua carga.

A capacidade de criar ondas de spin em um material antiferromagnético pode viabilizar futuros componentes de memória de computador capazes de ler ou escrever informações de maneira muito mais rápida do que aquelas baseadas apenas em eletrônicos. De fato, essa eletrônica magnética que pode até mesmo fazer uma ponte com a computação quântica.

"Ainda não chegamos lá. Neste artigo, demonstramos um processo que fundamenta a troca de domínio coerente: O próximo passo é realmente trocar de domínio," ressaltou Baldini.

Além de controlar o magnetismo, os pulsos de luz podem tornar o material um condutor elétrico.
[Imagem: Carina A. Belvin et al. - 10.1038/s41467-021-25164-8]

Forma rara de matéria

O experimento da equipe também é importante para os estudos fundamentais da física, uma vez que o que se observa no material é essencialmente uma forma rara de matéria.

Quando o NiPS₃ é exposto a pulsos intensos de luz, ele se transforma em um estado metálico que conduz elétrons, mas mantém seu magnetismo original - naturalmente o material é um isolante, um material que não conduz eletricidade.

"É muito raro ter um antiferromagneto e um estado metálico no mesmo material," disse Carina.

A equipe acredita que isso acontece porque a luz faz com que os éxcitons colidam uns com os outros e se separem em seus constituintes: elétrons e lacunas. "Estamos basicamente destruindo os éxcitons, para que os elétrons e lacunas possam se mover como os de um metal," diz a pesquisadora.

Mas essas quasipartículas móveis não interagem com os spins dos elétrons que participam da onda de spin, de modo que o magnetismo é mantido.

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