Pesquisadores da Universidade de Basileia e da ETH em Zurique conseguiram alterar a polaridade de um ferromagneto especial usando um feixe de laser. No futuro, este método poderá ser usado para criar circuitos eletrônicos adaptáveis com luz.
Em um ferromagneto, forças combinadas atuam. Para que a agulha de uma bússola aponte para o norte ou um imã de geladeira grude na porta da geladeira, inúmeros elétrons giram dentro deles, cada um dos quais cria apenas um pequeno campo magnético, todos precisam se alinhar na mesma direção. Isso acontece por meio de interações entre os spins, que devem ser mais fortes que o movimento térmico desordenado dentro do ferromagneto. Se a temperatura do material estiver abaixo de um valor crítico, ele se torna ferromagnético.
Por outro lado, para alterar a polaridade de um ferromagneto, normalmente é necessário primeiro aquecê-lo acima de sua temperatura crítica. Os spins do elétron podem então se reorientar e, após o resfriamento, o campo magnético do ferromagneto eventualmente aponta em uma direção diferente.
Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Prof. Tomasz Smoleński da Universidade de Basileia e pelo Prof. Dr. Ataç Imamoğlu da ETH em Zurique conseguiu agora realizar essa re{4}}orientação usando apenas luz-sem qualquer aquecimento. Eles publicaram seus resultados emNatureza.
Interações e topologia
“O que é entusiasmante no nosso trabalho é que combinamos os três grandes tópicos da física moderna da matéria condensada numa única experiência: fortes interações entre os eletrões, topologia e controlo dinâmico”, diz Imamoğlu.
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram um material especial que consiste em duas camadas finas-de ditelureto de molibdênio semicondutor orgânico, que são ligeiramente torcidas uma em relação à outra.
Nesses materiais, os-chamados estados topológicos podem se formar. Simplificando, os estados topológicos podem ser caracterizados com base em sua aparência: uma bola (sem buraco) ou uma rosquinha (um buraco). É importante ressaltar que uma bola não pode ser transformada em um donut por uma simples deformação, o que significa que os estados topológicos são definidos de forma inequívoca e permanente.
Nos novos experimentos co{0}}supervisionados por Smoleński e Imamoğlu, os elétrons poderiam ser sintonizados entre os estados topológicos que são isolantes e os estados metálicos que são condutores. Notavelmente, as interações fazem com que os spins dos elétrons em ambos os estados se alinhem paralelamente, transformando o material em um ferromagneto.
“Nosso principal resultado é que podemos usar um pulso de laser para alterar a orientação coletiva dos spins”, diz Olivier Huber, Ph.D. estudante da ETH, que realizou os experimentos junto com seus colegas Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Há alguns anos, isso já havia sido feito para elétrons individuais, mas agora a “troca” ou mudança de polaridade de todo o ferromagneto foi alcançada.
“Essa comutação foi permanente e, além disso, a topologia influencia a dinâmica da comutação”, diz Smoleński.
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Controle dinâmico do ferromagneto
Desta forma, o pulso de laser também pode ser usado para traçar novas linhas de fronteira, dentro das quais está localizado o estado ferromagnético topológico. Isto pode ser feito repetidamente, de modo que seja possível um controle dinâmico das propriedades topológicas e ferromagnéticas.
Para mostrar que o minúsculo ferromagneto, que tem apenas alguns micrômetros de tamanho, realmente mudou sua polaridade, os pesquisadores mediram a reflexão de um segundo feixe de laser, muito mais fraco. Esta reflexão revelou a orientação dos spins do elétron.
“No futuro, seremos capazes de usar nosso método para escrever opticamente circuitos topológicos arbitrários e adaptáveis em um chip”, diz Smoleński. Esta abordagem poderia então ser usada para criar interferômetros minúsculos, com os quais campos eletromagnéticos extremamente pequenos podem ser medidos.
