Altermagnetismo: Confirmada existência de novo tipo de magnetismo

Com informações da New Scientist - 15/02/2024

Um alterímã não vai grudar na porta da sua geladeira, mas ele tem propriedades que podem viabilizar os computadores magnéticos.
[Imagem: J. Krempaský et al. - 10.1038/s41586-023-06907-7]

Tipos de magnetismo

Cientistas da República Tcheca e da Suíça confirmaram experimentalmente a existência de um novo tipo de magnetismo, batizado de altermagnetismo.

Os alterímãs apresentam uma mistura de propriedades das duas classes principais de ímãs já conhecidas, o que os torna úteis para fabricar memórias para computadores muito rápidas e de alta capacidade, ou mesmo viabilizar novos tipos de computadores magnéticos.

Até o século 20, acreditava-se que existisse apenas um tipo de ímã permanente, um ferromagneto, cujos efeitos podem ser vistos em objetos com campos magnéticos externos relativamente fortes, como os ímãs de geladeira ou as agulhas das bússolas. Esse campo magnético de grande alcance é gerado quando todos os elétrons de um material têm seus momentos magnéticos intrínsecos, conhecidos como spin, alinhados em uma mesma direção.

Mas, na década de 1930, o físico francês Louis Néel descobriu outro tipo de magnetismo, chamado antiferromagnetismo, no qual os spins dos elétrons apontam alternadamente para cima e para baixo. Isto significa que os antiferromagnetos não geram campos magnéticos externos como os ferromagnetos, mas o magnetismo está lá e com propriedades internas interessantes, que têm sido exploradas tecnologicamente, incluindo memórias ultrarrápidas que nunca perdem os dados e até bits que podem ser gravados usando luz.

Então, em 2019, físicos detectaram uma corrente elétrica inesperada na estrutura cristalina de alguns antiferromagnetos, chamada de efeito Hall anômalo, que não pode ser explicada pela teoria dos spins alternados. Das duas uma: Ou a corrente estava se movendo sem qualquer campo magnético, ou existiria um novo tipo de magnetismo. Os teóricos chamaram esse novo tipo hipotético de magnetismo de altermagnetismo - alter em latim significa "outro".

Os alterímãs deveriam ser parecidos com os antiferromagnetos, mas as camadas de spins pareceriam iguais quando giradas de qualquer ângulo. Isto explicaria o efeito Hall. Faltava então observar essa estrutura eletrônica. Foi o que fizeram agora Juraj Krempasky e colegas do Instituto Paul Scherrer (Suíça) e da Academia Tcheca de Ciências - a equipe é a mesma que descobriu a água metálica em 2021.

O altermagnetismo apresenta simetrias não observadas nos ferromagnetos e nem nos antiferromagnetos.
[Imagem: J. Krempaský et al. - 10.1038/s41586-023-06907-7]

Altermagnetismo

Krempasky confirmou a existência do altermagnetismo mostrando que um cristal de telureto de manganês (Mg₃₃Te₆₇), que anteriormente se acreditava ser antiferromagnético, é na verdade um alterímã.

Ao medir como a luz se reflete no telureto de manganês - para medir as energias e velocidades dos elétrons dentro do cristal - a equipe constatou que os elétrons se organizam de modo quase idêntico às previsões dadas pelas simulações para um material altermagnético.

Os elétrons parecem estar divididos em dois grupos, o que lhes dá maior liberdade de movimento dentro do cristal, produzindo o altermagnetismo. Esse agrupamento dos elétrons parece vir dos átomos de telúrio, que não é magnético, separando as cargas magnéticas do manganês em seus próprios planos na estrutura cristalina, gerando a simetria rotacional que explica o altermagnetismo.

Assim, os alterímãs possuem uma combinação especial de arranjo de spins e de simetrias de cristal. Os spins se alternam, como nos antiferromagnetos, resultando em nenhuma magnetização líquida. No entanto, em vez de simplesmente se anularem, as simetrias proporcionam uma estrutura de banda eletrônica com forte polarização de spin, que muda de direção à medida que você passa pelas bandas de energia do material.

Embora outros tipos de magnetismo - como o diamagnetismo e o paramagnetismo - já sejam conhecidos, eles descrevem respostas específicas a campos magnéticos aplicados externamente, e não ordenações magnéticas espontâneas nativas dos materiais.

Os computadores magnéticos superam a lógica booleana em milhares de vezes.
[Imagem: Ryan Wakefield]

Novas tecnologias magnéticas para computação

Embora o altermagnetismo não gere um campo magnético externo, ele resulta em propriedades altamente úteis, tanto algumas parecidas com os ferromagnetos, quanto algumas propriedades completamente novas.

Este terceiro componente magnético oferece vantagens únicas para o campo em desenvolvimento das tecnologias de memórias magnéticas de próxima geração, conhecido como spintrônica. Enquanto a eletrônica utiliza apenas a carga dos elétrons, a spintrônica também explora o estado de spin dos elétrons para transportar informações.

As propriedades dos alterímãs também podem aumentar a capacidade de armazenamento dos discos rígidos, já que os atuais usam materiais ferromagnéticos tão compactados que os campos magnéticos externos dos grânulos do material começam a gerar interferência uns nos outros. Como não geram campo magnético externo, os alterímãs podem ser compactados de forma mais densa.

Mas a aplicação mais futurística está nos processadores magnéticos, que usam o momento magnético dos elétrons, em vez de sua carga elétrica, para fazer cálculos. Poder usar o magnetismo sem ter que lidar com campos externos promete facilitar muito o desenvolvimento nesse campo.

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