Descoberta matemática cria versão magnética do grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/03/2026

Ondas magnéticas em uma película fina com orifícios dispostos em um padrão hexagonal. Esse sistema apresenta os mesmos comportamentos que os elétrons no grafeno.
[Imagem: Bobby Kaman]

Unificação matemática

Físicos descobriram uma linguagem matemática unificando as propriedades eletrônicas e magnéticas dos materiais bidimensionais (2D), que sempre se presumiu serem fenômenos distintos.

A descoberta envolve materiais formados por uma única camada atômica, ou materiais de van der Waals, como grafeno, molibdenita e tantos outros, praticamente todos com grande potencial para aplicações tecnológicas.

Mais do que demonstrar que os aspectos elétrico e magnético obedecem às mesmas equações, os pesquisadores demonstraram como projetar sistemas magnéticos para que eles obedeçam às mesmas equações que regem a mobilidade dos elétrons no grafeno.

Em termos simplificados, isso significa que as "maravilhas" elétricas do grafeno poderão ter versões magnéticas criadas com outros materiais - lembre-se que o "magnético" na computação significa dados que não se perdem na ausência de energia, gasto menor de eletricidade etc.

"Não é nada óbvio que exista uma analogia entre a eletrônica 2D e os comportamentos magnéticos 2D, e ainda estamos impressionados com o quão bem essa analogia funciona," disse Bobby Kaman, da Universidade de Illinois, nos EUA. "A eletrônica 2D é muito bem estudada graças à descoberta do grafeno, e agora mostramos que uma classe de materiais não tão estudada obedece à mesma física fundamental."

Estrutura do metamaterial, que pode ser construído em qualquer escala, projetado para reproduzir magneticamente o comportamento dos elétrons no grafeno.
[Imagem: Bobby Kaman et al. - 10.1103/t7tm-nxyl]

Projetando um material artificial

Kaman teve a ideia dessa unificação enquanto trabalhava com uma plataforma totalmente diferente, a dos metamateriais, materiais artificiais cujas propriedades dependem não de sua composição química, mas de sua estrutura.

Como os elétrons no grafeno e as magnetizações microscópicas podem apresentar comportamentos ondulatórios, o pesquisador se perguntou se seria possível projetar sistemas magnéticos que se comportem como os materiais monoatômicos. O aspecto magnético dos elétrons é conhecido como spin, e os spins podem se mover coletivamente, em ondas. E essas ondas se comportam como quasipartículas, chamadas mágnons. A novidade foi que o pesquisador encontrou uma conexão matemática entre as equações que descrevem os elétrons e aquelas que descrevem os mágnons - os materiais que apresentam essas quasipartículas são chamados de materiais magnônicos.

O pesquisador então projetou um metamaterial no qual momentos magnéticos microscópicos - spins artificiais, por assim dizer - são dispostos em uma película fina com orifícios distribuídos em um padrão hexagonal. Os orifícios foram projetados para imitar a geometria do grafeno.

Deu certo. Ao calcular as energias das perturbações magnéticas se propagando pelo material artificial - uma analogia das ondas de spin - o que se viu é que elas apresentam os mesmos comportamentos que os elétrons no grafeno.

A descoberta terá importantes implicações para as tecnologias de comunicação.
[Imagem: Bobby Kaman et al. - 10.1103/t7tm-nxyl]

Miniaturização da tecnologia de micro-ondas

Na verdade, deu mais do que certo, porque o sistema artificial mostrou-se muito mais complexo do que a simples analogia que os pesquisadores estavam procurando.

De fato, o metamaterial apresentou nada menos do que nove bandas de energia distintas, o que permite a coexistência simultânea de mais comportamentos, ou propriedades. Por exemplo, as ondas de spin sem massa são análogas às ondas de elétrons do grafeno, mas a versão magnética também permite bandas de baixa dispersão correspondentes a estados localizados e até mesmo efeitos topológicos entre as bandas.

Esta descoberta abre importantes rotas para exploração prática, o que a equipe decidiu fazer começando pela criação de dispositivos para a tecnologia de micro-ondas, usada em redes sem fio e celulares, por exemplo.

"Um desses dispositivos é um 'circulador de micro-ondas' que permite que os sinais de rádio de micro-ondas se propaguem apenas em uma direção," explicou o professor Axel Hoffmann. "Eles geralmente são volumosos, mas o sistema magnônico que estudamos pode permitir que os dispositivos de micro-ondas sejam miniaturizados na escala micrométrica."

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