Inversão perfeita

Inverter perfeitamente estruturas complexas é de grande importância técnica. Pesquisadores da ETH conseguiram agora transformar a estrutura magnética e elétrica dos materiais em seus opostos usando um único pulso de campo magnético. Sempre que se torna desagradavelmente alto, a redução do ruído ativo tem sido usada em fones de ouvido ou carros de luxo nos últimos anos. Um microfone capta o ruído perturbador, do qual um chip de computador calcula as contramedidas apropriadas: ondas sonoras cujas fases são exatamente opostas às do som ambiente. A interferência entre essas ondas efetivamente apaga o ruído. Físicos e engenheiros ficariam felizes em aplicar este princípio de perfeita inversão a outras tecnologias, por exemplo, à estrutura magnética de um material. O professor da ETH, Manfred Fiebig, e seus colaboradores do Departamento de Materiais de Zurique, conseguiram fazer exatamente isso com o apoio de cientistas da Europa, Japão e Rússia.  A equipe de Fiebig usou os chamados multiferroicos para seus experimentos. Diferentemente de muitos outros materiais que têm ordem magnética ou elétrica, os multiferróicos possuem ambos: eles são magneticamente e, ao mesmo tempo, eletricamente polarizados e, como conseqüência, se alinham ao longo de campos magnéticos e elétricos. Os mecanismos físicos que provocam a ordem magnética e elétrica dentro do material são subtilmente acoplados entre si. Isso possibilita, entre outras coisas, influenciar a magnetização, não através de campos magnéticos, como geralmente é feito, mas usando campos elétricos. “Isso é muito mais eficiente, pois é preciso ter corrente elétrica para criar campos magnéticos, e isso custa muita energia e gera um calor desnecessário”, explica Naëmi Leo, ex-aluno de doutorado no laboratório de Fiebig. Em computadores, por exemplo, onde os dados precisam ser constantemente escritos em discos rígidos magnéticos, os multiferróicos podem ser os principais materiais para economias significativas de energia. Na ETH, que tem sido um líder internacional em pesquisa multiferróica por um bom tempo, os cientistas imediatamente levaram essa ideia um passo adiante. “Um material que permite controlar sua magnetização usando campos elétricos deve necessariamente ter uma estrutura bastante complexa”, diz Fiebig. Ele usa o quebra-cabeça Tangram chinês para ilustrar esse princípio: quanto mais peças você tiver – triângulos, quadrados e um paralelogramo -, as formas mais elaboradas podem ser compostas com elas. No caso dos multiferroicos, as formas correspondem às simetrias do material, que determinam suas propriedades físicas. Quanto mais complexas forem essas simetrias, mais variados serão os chamados parâmetros de ordem. Eles descrevem a direção na qual a magnetização aponta dentro de um multiferroico e como a magnetização é acoplada à ordem elétrica.  Agora, se os átomos dentro de um material estão dispostos de uma maneira tão complicada, também é muito provável que ele tenha outras propriedades que não sejam óbvias à primeira vista. “É por isso que não queremos nos limitar aos fenômenos bem conhecidos que foram estudados por um longo tempo, mas sim tentar ver que outras coisas úteis as multiferroics podem fazer”, explica Fiebig e ilustra sua abordagem de pesquisa: “Como podemos recombinar as peças do quebra-cabeça – isto é, os parâmetros de ordem – de maneiras diferentes daquelas já conhecidas e assim obter propriedades novas e úteis? ” Essa abertura para o inesperado valeu a pena. Fiebig e seus colaboradores acabaram encontrando um multiferroico no qual a magnetização geral não é apenas, como de costume, uniformemente orientada por um campo aplicado. Claramente, isso apagaria qualquer informação armazenada magneticamente – a distribuição de regiões magnetizadas positiva e negativamente dentro do material. Em vez disso, eles usaram o campo para inverter a magnetização em cada região individual do material. As regiões positivamente magnetizadas foram, portanto, transformadas em magnetizadas negativamente e vice-versa. A informação magnética contida no arranjo das regiões, no entanto, permaneceu intacta no processo. “É como se nós invertêssemos cada bit em um disco rígido de uma só vez”, explica Fiebig. “Normalmente, seria necessário reescrever cada bit individualmente. Os pesquisadores da ETH encontraram este equivalente magnético da redução de ruído ativo em um multiferroico composto de cobalto, telúrio e oxigênio. Devido à sua estrutura cristalina complexa, esse material pode não apenas ser magneticamente e eletricamente polarizado, mas também ter vários parâmetros de ordem descrevendo sua magnetização: um que determina a orientação magnética de uma única região e outro que “lembra” a forma e o arranjo dessas regiões dentro de todo o material. Usando uma técnica de imagem especializada, em que a luz laser polarizada é enviada através do cristal e muda sua cor no processo, os pesquisadores poderiam tornar o processo de inversão visível espacialmente. Como se isso não fosse suficiente, os físicos também conseguiram realizar um feito semelhante com papéis invertidos. Em um multiferroico contendo átomos de manganês, germânio e oxigênio, o campo magnético agora inverteu não a magnetização, mas a polarização elétrica do material. Para os pesquisadores, isso é mais uma prova de que os multiferróicos ainda trazem muitas surpresas. “Há provavelmente muito mais a ser descoberto que nem podemos imaginar hoje”, diz Fiebig.

Fonte: Chemeurope.com