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Energia

Físicos descrevem um novo mecanismo para o magnetismo metálico

Tim Stephens - UC Santa Cruz - 05/09/2005

Físicos descrevem um novo mecanismo para o magnetismo metálico

Prever o comportamento magnético de compostos metálicos é um problema incrivelmente difícil para os físicos teóricos. Enquanto que as propriedades de um ímã de geladeira não são nenhum grande mistério, certos materiais apresentam propriedades magnéticas que não se enquadram nas teorias existentes do magnetismo. Um material desse tipo inspirou um recente avanço teórico, feito por físicos da Universidade da Califórnia, Estados Unidos.

Em um artigo publicado no exemplar do último dia 26 de Agosto, do periódico Physical Review Letters, Sriram Shastry e Jan Haerter descrevem o antiferromagnetismo cinético, um novo mecanismo do magnetismo metálico em materiais com um tipo específico de estrutura atômica. O trabalho resolve um problema que vinha incomodando os físicos teóricos há décadas.

"Novos materiais tendem a levar a avanços teóricos," afirma Shastry. "O magnetismo metálico é realmente um campo de fronteira na física teórica, além de ter aplicações práticas na ciência dos materiais."

Supercondutores, equipamentos de armazenamento magnético de dados (como os discos rígidos de computadores) e outras aplicações, estão entre as áreas nas quais o avanço teórico no magnetismo metálico pode desempenhar um papel importante.

Shastry e Haerter estavam interessados no raro comportamento magnético do óxido de sódio-cobalto, um material inicialmente descrito em 1997 e intensivamente estudado nos anos recentes. O material pode ser feito com variadas quantidades de íons de sódio, ensanduichados entre camadas de óxido de cobalto. Os átomos de cobalto formam uma rede estrutural atômica que leva à "frustração eletrônica", uma incapacidade dos elétrons no sistema para atingir um estado que minimiza sua energia total.

Um ponto de referência no entendimento teórico sobre por que certos metais são ferromagnéticos - conhecido como Teorema de Nagaoka-Thouless - foi alcançado em meados dos anos 1960, mas somente se aplica a materiais com uma estrutura atômica não frustrada. O caso frustrado permaneceu sem solução nos últimos 40 anos.

"Este problema vinha sendo um nó difícil de desatar. Nós conseguimos fazer algum progresso e chegamos a um resultado surpreendente," afirma Shastry.

As propriedades magnéticas dos metais resultam da configuração dos spins dos elétrons. O spin de um elétron é uma característica de mecânica quântica que pode ser "para cima" ou "para baixo". Em um metal ferromagnético, os spins dos elétrons tendem a se alinhar espontaneamente na mesma direção. O ferromagnetismo explica os ímãs de geladeira e a maioria dos outros comportamentos magnéticos que encontramos no dia-a-dia.

No antiferromagnetismo, os spins se alinham em um padrão regular, com os spins vizinhos apontando em direções opostas, ou antiparalelas. Para os elétrons situados em uma estrutura triangular, entretanto, esta configuração é frustrada, porque dois dos três elétrons em cada triângulo devem ter o mesmo spin.

"Na física, a frustração é uma coisa boa, porque ela resulta em propriedades interessantes. Há muitos tipos de sistemas frustrados na natureza," explica Shastry.

O antiferromagnetismo cinético em uma rede triangular, descrito por Haerter e Shastry, resulta do movimento dos elétrons quando há uma única "lacuna de elétron", uma posição de elétron desocupada, na rede. Eles usaram um modelo teórico que os permite estudar a configuração dos spins ao redor da lacuna de elétron e descobriram que a lacuna é circundada por um hexágono não frustrado, no qual os spins dos elétrons se alternam em um padrão antiferromagnético.

"A lacuna pode ser vista como um impureza se movimentando ao redor, com os spins tendendo a se alinhar antiferromagneticamente," escreveram os autores no artigo.

Os físicos utilizam o conceito de uma lacuna de elétron em movimento para simplificar a análise do movimento de um grande número de elétrons. O teorema de Nagaoka-Thouless mostra como o movimento de uma única lacuna sobre uma rede não frustrada leva ao ferromagnetismo. Haerter e Shastry mostraram que o movimento de uma única lacuna em uma rede frustrada resulta em um fraco antiferromagnetismo.

"É surpreendente, porque o movimento cinético dos elétrons normalmente leva ao ferromagnetismo," afirma Shastry.

O óxido de sódio-cobalto é um dos primeiros compostos metálicos conhecidos com uma estrutura de rede triangular. A densidade das lacunas de elétrons na rede varia, dependendo do conteúdo de sódio, e isto tem efeito dramáticos sobre o comportamento magnético do material. A teoria de Haerter e Shastry oferece uma nova luz na física desse sistema tão incomum.

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