Room-temperature ferroelectric p-wave magnet

O magnetismo e a eletricidade têm sido tratados há muito tempo como forças distintas no mundo físico, embora estejam profundamente interligados nos materiais que compõem a nossa tecnologia. Durante décadas, cientistas buscaram aproveitar o spin dos eletrões — a minúscula agulha magnética interna de cada átomo — para carregar informação, um campo conhecido como espintrónica. O desafio tem sido encontrar materiais onde este spin possa ser controlado facilmente sem a necessidade de campos magnéticos pesados e que consomem muita energia. Uma nova classe de materiais, recentemente identificada por investigadores, oferece uma solução promissora: ímanes que não possuem uma atração magnética líquida, mas que detêm ainda assim uma estrutura de spin interna poderosa e organizada. Estes materiais, chamados ímãs p-wave, são especiais porque a sua ordem interna quebra uma simetria fundamental da natureza, permitindo-lhes separar os spins dos eletrões de uma forma que é distinta dos ímanes que usamos nos dispositivos do quotidiano. Se estes materiais puderem ser controlados com eletricidade em vez de campos magnéticos, poderão levar a dispositivos eletrónicos mais rápidos e eficientes que geram muito menos calor.

Uma equipa de investigadores identificou agora um material que exibe este comportamento raro à temperatura ambiente, uma condição essencial para a utilização prática. O material é o ferrito de bismuto, uma substância já conhecida pelos cientistas pela sua capacidade de ser simultaneamente magnética e eletricamente polarizada. Embora exemplos anteriores deste tipo específico de magnetismo tenham sido encontrados apenas a temperaturas próximas do zero absoluto, os investigadores demonstraram que o ferrito de bismo forma naturalmente o padrão magnético necessário à temperatura de uma sala típica. Esta descoberta é significativa porque fornece uma plataforma estável onde o estado magnético pode ser invertido simplesmente aplicando uma voltagem elétrica, um feito que anteriormente se pensava exigir frio extremo ou engenharia complexa.

A chave para este comportamento reside na forma como os átomos no ferrito de bismuto organizam os seus momentos magnéticos. Na maioria dos ímanes, as minúsculas setas internas dos átomos apontam todas para a mesma direção, criando um campo magnético forte. No ferrito de bismuto, porém, estas setas torcem-se num padrão espiral à medida que se movem através do cristal. Esta espiral não é um loop simples e repetitivo; é uma textura incomensurável e complexa que se desloca ligeiramente enquanto viaja pelo material. Este movimento de torção específico cria um ambiente único onde os eletrões que se movem através do cristal experienciam uma separação forte baseada na sua direção de spin, mesmo que o material como um todo não atue como um íman. Os investigadores calcularam que esta separação é substancial, criando uma diferença de energia de aproximadamente 100 meV entre os dois estados de spin, um valor suficientemente grande para ser útil em aplicações eletrónicas.

Para confirmar que esta previsão teórica era real, os cientistas recorreram a uma técnica que utiliza a luz para sondar o estado magnético. Eles incidiram um feixe de luz circularmente polarizada sobre o material. Quando a luz com este movimento de rotação específico atinge os eletrões, pode gerar uma corrente elétrica se os eletrões já estiverem organizados de uma determinada forma. Os investigadores descobriram que o ferrito de bismuto produzia uma corrente forte em resposta a esta luz, e a direção dessa corrente dependia da direção da espiral magnética. Ao medirem a corrente a partir de diferentes ângulos, mapearam a orientação da separação de spin e descobriram que esta correspondia perfeitamente às previsões para este novo tipo de magnetismo. Esta medição serviu como uma impressão digital direta, provando que o material possuía a polarização de spin de paridade ímpar característica dos ímãs p-wave.

O aspeto mais convincente desta descoberta é a capacidade de controlar o estado magnético com eletricidade. Como o padrão magnético de torção no ferrito de bismuto está travado na polarização elétrica do material, alterar o campo elétrico altera a espiral magnética. Os investigadores aplicaram um forte pulso elétrico ao material, o qual inverteu com sucesso a direção da sua polarização elétrica. Esta única ação fez com que a espiral magnética invertesse a sua lateralidade, transformando uma torção de sentido horário numa torção de sentido anti-horário. Como resultado direto, a direção da separação de spin inverteu-se completamente. Quando mediram a corrente induzida pela luz novamente, esta tinha invertido o seu sinal, fluindo na direção oposta. Esta comutação reversível aconteceu à temperatura ambiente e confirmou-se ser estável, o que significa que o material pode ser alternado entre dois estados magnéticos distintos usando apenas voltagem.

Este trabalho estabelece o ferrito de bismuto como uma plataforma funcional de temperatura ambiente para um novo tipo de magnetismo. Os investigadores demonstraram que a divisão de spin é impulsionada pelas interações de troca entre os átomos na espiral, em vez dos efeitos mais fracos do acoplamento spin-órbita frequentemente encontrados noutros materiais. Ao provarem que este estado pode ser alternado eletricamente, o estudo abre um caminho claro para o desenvolvimento de dispositivos espintrónicos que sejam controlados por voltagem em vez de corrente. Tais dispositivos poderiam operar com um consumo de energia muito menor, oferecendo uma rota potencial para tecnologias de computação mais eficientes que dependem da manipulação do spin do eletrão em vez de apenas da carga elétrica. As descobertas confirmam que as texturas magnéticas complexas encontradas na natureza podem ser aproveitadas para criar estados robustos e controláveis que eram anteriormente apenas possibilidades teóricas.