Desenvolvendo uma nova geração de discos rígidos quânticos usando ímãs 2D

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Desenvolvendo uma nova geração de discos rígidos
quânticos usando ímãs 2D
Usando a análise teórica e experimental, os pesquisadores visam entender melhor as propriedades
magnéticas novas e intrigantes de materiais 2D para a próxima geração de tecnologias da informação.
Crédito da imagem: Sarah Jenkins, Richard Evans, Elton Santos, et al.
Desde a descoberta do grafeno em 2004 – que ganhou seu prêmio Nobel e lançou um novo campo de
pesquisa de materiais – materiais bidimensionais (2D) que são um átomo de espessura prometeram
revolucionar a tecnologia como resultado de suas propriedades únicas e às vezes bizarras. No entanto,
uma propriedade crucial para o armazenamento de dados e eletrônicos, por um longo tempo,
permaneceu indescritível: o magnetismo.
Por um tempo, muitos especialistas pensaram que o magnetismo 2D existia apenas em teoria, mas em
2017, um avanço veio com as primeiras medições de magnetismo ordenado feitas em tritrio de iodeto
cromo (CrI 33) e Cr 2 Ge 2 Te 66. Esta descoberta despertou um interesse renovado, pelo qual muitas
incógnitas ainda permanecem. “Por um lado”, diz o Dr. Elton Santos, da Universidade de Edimburgo,
“ainda não está claro como o magnetismo se desenvolve em 2D”.
Santos faz parte de uma equipe colaborativa de pesquisadores que sugerem que, como resultado de
domínios magnéticos encontrados no 2D CrI 3, este material mostra propriedades que podem ir além
daquelas encontradas em ímãs convencionais com efeitos quânticos desempenhando um papel
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importante. As descobertas do pesquisador foram publicadas recentemente na revista Advanced
Materials.
“A interação entre diferentes interações geralmente alinha os spins dos átomos em pequenas regiões
espaciais no material, com diferentes orientações formando o que são chamados de ‘domínios
magnéticos’”, disse Santos. “No caso da monocamada CrI 3, no entanto, observamos que os domínios
se agrupam em manchas que podem ser grandes o suficiente para cobrir toda a superfície do material,
como em uma partícula de domínio único, mas sem campos magnéticos.
“Materiais que mostram uma área tão grande de magnetismo podem ser usados em diferentes
processos magnéticos, como armazenamento de informações, mas de uma forma muito mais fina – em
uma área cerca de 10.000 vezes mais fina do que o cabelo humano.”
Quando descoberto pela primeira vez em 2017, materiais 2D como o CrI 3 foram inicialmente
classificados como ímãs de Ising, que é o modelo matemático mais simples que descreve ímãs como
uma rede de favo de mel que pode existir em um dos dois estados: girar ou girar para baixo. Cada spin
age como um mini ímã com seu próprio momento magnético; se todos os spins estiverem alinhados,
então toda a rede se comporta como um grande ímã com um momento magnético líquido.
Mas Santos e seus colegas sentiram que essa classificação não capturou completamente as
propriedades desses materiais, pois observaram alguns fenômenos contraditórios.
“CrI 3 foi atribuído como um ímã de Ising, mas ao mesmo tempo, mostra propriedades que não seriam
compatíveis com essa característica, ou seja, ondas de rotação – variações contínuas da orientação das
rodadas em uma forma de onda”, disse Santos. As ondas de spin foram medidas por diferentes técnicas,
incluindo espalhamento de nêutrons e espectroscopia Raman, e por diferentes grupos em todo o mundo.
Então, pensamos que algo não estava certo.
“Se você olhar em um livro de estado sólido ou até mesmo na Wikipédia, descobrirá que um ímã de Ising
não pode conter ondas de rotação devido a restrições à orientação das rodadas. Um modelo de
mecânica quântica, por outro lado, onde os spins podem assumir diferentes orientações (ou seja,
Heisenberg) pode ser usado para descrevê-lo com precisão.
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Configurações de domínio magnético em CrI 3
O que Santos e seu grupo descobriram é uma característica única das paredes de domínio dentro dos
materiais 2D, que evoluem como resultado da baixa dimensionalidade dos materiais (ou natureza 2D).
“Incrivelmente, determinamos que os efeitos quânticos realmente estabilizam as propriedades
magnéticas do CrI 3 e permitem que as paredes do domínio, que são os limites entre domínios
magnéticos, tenham quiralidade – uma propriedade de assimetria onde um objeto é distinguível de sua
imagem espelhada no espaço, como nossas mãos esquerda e direita”, disse Santos.
Em ímãs convencionais, como o ferro, as paredes do domínio separam os domínios magnéticos, mas
não mudam e são estáticas no tempo.
“Como consequência da natureza 2D da camada CrI 3”, continuou ele, “os domínios magnéticos em 2D
CrI 3 não são completamente estáveis – isto é, eles continuam evoluindo com o tempo – então isso
induz uma variação na direção dos spins ao longo das paredes do domínio. Aconteceu de observar este
belo padrão de rotação mudando de orientação e não resistimos a olhar mais profundamente. Foi
quando descobrimos que, embora o CrI 3 tenha apenas alguns átomos de espessura, a largura das
paredes do domínio é característica de ímãs permanentes, como nanopartículas de ferro nanómio-peso.
A equipe está agora trabalhando na implementação desses ímãs finos em diferentes plataformas de
dispositivo. Por exemplo, onde o controle das paredes do domínio magnético é mediado por correntes
elétricas. Inicialmente projetado por Stuart Parkin e sua equipe na IBM em 2008, esse fenômeno foi
usado para construir o que são chamados de memórias de pista de corrida, que são dados organizados
em um microchip 3D e podem um dia substituir o armazenamento de dados convencional.
“Acreditamos que a implementação de nossas descobertas nas estruturas das pistas é uma questão de
tempo”, acrescentou Santos. “Como a parede de domínio é muito estreita nesses ímãs 2D, é ideal para
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tais processos, e eles também podem ser transferidos em diferentes superfícies, o que facilita a
integração com componentes de semicondutores atuais.
“Isso pode resultar em dispositivos que são praticamente inquebráveis porque o material 2D é tão
flexível, bem como leve e fino o suficiente para ser carregado no bolso, mas com a capacidade de
armazenar milhares de arquivos enormes em movimento. No entanto, precisamos ser cautelosos, pois
há um longo caminho a percorrer antes de atingir esse nível em termos de aplicações.”
Referência: Dina Abdul Wahab, et al., Quantum Rescaling, Metastability de Domínio e Domínio Híbrido
em 2D CrI 3 ímãs, Materiais Avançados (2020). DOI: 10.1002/adma.202004138
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004138