Uma bússola apontando para oeste

nanotecnologia
A bússola apontando para o oeste em vez de para o norte: os pesquisadores descobriram um novo fenômeno magnético na faixa nanométrica. (Foto: Colourbox)

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28.03.2019 | Por: Sebastian Jutzi ETH Notícias

Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer, PSI em Villigen e ETH Zurich, descobriram um fenômeno especial em ímãs. Esse fenômeno ocorre na nanoescala e permite que os ímãs sejam montados em configurações incomuns, o que também pode ser útil para a tecnologia de computadores e armazenamento de dados.

Cortesia ETH: Os ímãs são caracterizados pelo fato de terem um pólo norte e um pólo sul. Se dois imãs comuns ficarem próximos um do outro, os pólos opostos se atraem e pólos semelhantes se repelem. É por isso que as agulhas magnéticas, como as de uma bússola, estão alinhadas no campo magnético da Terra, de modo que podemos usá-las para determinar as direções norte e sul da bússola e, derivadas dela, Oriente e Ocidente. No mundo que experimentamos todos os dias com nossos sentidos, esta regra está correta. Se você deixar o mundo macroscópico e mergulhar em profundidades de dimensões muito menores, isso muda. Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer, PSI e ETH Zurich, descobriram uma interação magnética muito especial no nível das estruturas nanoscópicas feitas de camadas magnéticas com poucos átomos de espessura.

Os átomos agem como pequenas agulhas e exibem seu efeito em pequenas distâncias na faixa nanométrica, por exemplo, alguns milionésimos de milímetro. É por isso que os pesquisadores também falam sobre nanomagnetos.

O fenômeno que os pesquisadores da PSI já observaram é baseado em uma interação que os dois físicos Igor Dzyaloshinskii e Toru Mariya previram há mais de 60 anos. “Esse foi o nosso ponto de partida”, diz Zhaochu Luo, físico da PSI e da ETH Zurich.

Acoplamento de átomos do noroeste e do sudeste.

Se um grupo de átomos de cobalto estiver alinhado com o norte ou o sul (vermelho), os átomos de cobalto vizinhos estarão alinhados com o oeste ou leste (azul). A orientação dos átomos vizinhos está dentro do plano. Essa interação requer intercalar a camada de cobalto entre uma camada de platina (abaixo, bege) e uma camada de óxido de alumínio (acima, não mostrada aqui). (Ilustração: Instituto Paul Scherrer / Zhaochu Luo)

Nesta interação, as agulhas da bússola atômica estão alinhadas não apenas na direção norte-sul, mas também na direção leste-oeste. “O ponto que eles apontam depende de como os átomos de sua vizinhança são orientados”, diz Zhaochu Luo, o primeiro autor do estudo. Por exemplo, se um grupo de átomos aponta para o norte, o grupo vizinho sempre aponta para o oeste. Se um grupo de átomos aponta para o sul, então os átomos vizinhos são orientados para o leste.

Essas orientações podem ser invertidas por campos magnéticos ou correntes elétricas, isto é, de norte a sul e vice-versa. Os grupos atômicos vizinhos são reorientados, de oeste para leste ou vice-versa.

Os pesquisadores descobriram o acoplamento das orientações Noroeste e Sudeste com a ajuda de uma camada de átomos de cobalto de apenas 1,6 nanômetro de espessura, que foi colocada entre uma camada de platina de um lado e uma camada de óxido de alumínio do outro. outro “O desenvolvimento dessas camadas especiais apenas para nossos experimentos levou cerca de meio ano”, diz Zhaochu Luo, que trabalha no grupo de pesquisa de sistemas mesoscópicos de Laura Heyderman na PSI.

O que é incomum é que essa interação ocorre lateralmente em um plano. Anteriormente, acoplamentos comparáveis ​​entre nanomagnetos só podiam ser detectados verticalmente, com grupos de átomos dispostos um sobre o outro.

Laura Heyderman, Zhaochu Luo e Pietro Gambardella descobriram os novos fenómenos em nanomagnetos. (Foto: ETH Zurique)

O fenômeno observado em conjunto pelos pesquisadores do PSI e da ETH Zurich permite o desenvolvimento de redes magnéticas planas. Entre outras coisas, o antiferromagnético sintético pode ser produzido. Nestes antiferromagnetes, os grupos atômicos apontam para o norte ou para o sul em intervalos regulares. O número de nanomagnetos opostos é aproximadamente o mesmo, de modo que eles são mutuamente neutralizados em soma. Portanto, à primeira vista, os antiferromagnéticos não atuam como ímãs, por exemplo, não aderem à porta da geladeira. Os átomos vizinhos, que são orientados para o oeste ou leste, atuam como espaçadores que separam os ímãs apontando para o norte ou para o sul, cada um dos quais é tão pequeno quanto alguns nanômetros. Isso possibilita, por exemplo, construir memórias e comutadores de computadores novos e mais eficientes, o que, por sua vez, torna os microprocessadores mais poderosos.

Portas lógicas para computadores.

Nanomagnetos individuais, voltados para o norte ou o sul, são adequados para a construção de portões lógicos. Uma porta lógica é um bloco de construção em um computador e funciona como um tipo de interruptor. Os sinais entram nessas portas e são processados ​​em um sinal de saída. Em um computador, muitas dessas portas estão em rede para executar operações. Uma porta desse tipo também pode ser construída com a ajuda de nanomagnetos alinhados ao norte ou ao sul. Estes são análogos aos processadores comumente usados ​​atualmente com transistores que processam sinais em forma binária, que interpretam todos os sinais como zero ou um. Os nanomagnetos orientados para o norte ou para o sul também podem fazer isso. Isso poderia tornar os microprocessadores mais compactos e eficientes.
Segundo o professor Pietro Gambardella, que supervisionou o estudo com o Professor Laura Heyderman, “Este trabalho fornece uma plataforma para a criação de matrizes de nanomagnets ligados e alcançar um totalmente elétrico portas lógicas de plano de controle e dispositivos de armazenamento”, conforme relatado pela Science esta semana. 
Além dos métodos baseados em laboratório, os pesquisadores obtiveram seus resultados por meio de microscopia fotoeletrônica de raios-X no Swiss Light Source SLS da PSI.

Referência
Luo Z, Phuong Dao t, Hrabec A, Vijayakumar J, Kleibert A, Baumgartner H, Kirk E, Cui J, Savchenko T, G Krishnaswamy, Heyderman LJ, P. Gambardella quiralmente acoplado nanoimans. Science (2019), publicado na Internet em 28 de março, doi: 10.1126 / science.aau7913

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