Movimento ultrarrápido incomum descoberto em materiais magnéticos em camadas

A descoberta foi inspirada nos experimentos de Einstein e de Haas.

Os materiais magnéticos têm sido objeto de pesquisas sobre como a configuração do spin microscópico resulta em propriedades incomuns na escala de comprimento macroscópico. Um exemplo é o efeito Einstein-de Haas em ferromagnetos, que permite que o momento angular dos spins seja transferido para a rotação mecânica de um item inteiro. No entanto, ainda não está claro como a ordem de spin se acopla ao movimento macroscópico em antiferromagnetos sem um momento magnético líquido.

Em um novo estudo, uma equipe de pesquisadores de Argonne e de outros laboratórios e universidades nacionais dos EUA relatam agora um efeito análogo, porém diferente, em um "anti"-ferromagneto. Neste experimento, os pesquisadores exploraram o spin do elétron para provocar uma resposta mecânica em um cilindro, um objeto macroscópico.

Nos antiferromagnetos, por exemplo, os giros dos elétrons alternam de cima para baixo entre os elétrons adjacentes, em vez de sempre apontarem para cima. Os antiferromagnetos não reagem às mudanças no campo magnético como os ferromagnetos porque seus spins opostos se cancelam.

Haidan Wen, físico das divisões de Ciência de Materiais e Ciência de Raios X do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), disse: “A pergunta que nos perguntamos é: o spin do elétron pode provocar uma resposta diferente em um antiferromagneto? mas semelhante em espírito ao da rotação do cilindro no experimento de Einstein-de Hass?”

Os pesquisadores criaram uma amostra do trissulfeto de fósforo e ferro antiferromagneto (FePS3) para fornecer uma resposta a essa pergunta. Cada camada da amostra, composta por várias camadas de FePS3, tinha apenas alguns átomos de espessura. O FePS3 é exclusivo de um ímã convencional, pois é criado em uma estrutura em camadas com interação muito fraca entre as camadas.

Wen disse: “Projetamos um conjunto de experimentos corroborativos nos quais disparamos pulsos de laser ultrarrápidos neste material em camadas e medimos as mudanças resultantes nas propriedades do material com pulsos ópticos, de raios X e de elétrons”.

Os pesquisadores descobriram que os pulsos alteram as propriedades magnéticas do material ao confundir a orientação ordenada dos spins dos elétrons. Em vez de alternar entre cima e baixo de forma sistemática, as setas do spin do elétron estão agora desorganizadas.

Nuh Gedik, professor de física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), disse: “Essa confusão no spin do elétron leva a uma resposta mecânica em toda a amostra. Como a interação entre as camadas é fraca, uma camada da amostra pode deslizar para frente e para trás em relação a uma camada adjacente.”

O tempo de oscilação para este movimento é extremamente curto – 10 a 100 picossegundos. A definição de picossegundo é um trilionésimo de segundo. A luz se move apenas um terço de milímetro em um picossegundo devido à rapidez com que isso acontece.

São necessárias instalações científicas de classe mundial para medir amostras com resolução espacial em escala atômica e resolução temporal em escala de picossegundos. Os cientistas usaram sondas ultrarrápidas de última geração que analisam estruturas atômicas usando feixes de elétrons e raios X para conseguir isso.

Os primeiros experimentos usaram o equipamento de difração de elétrons ultrarrápido mega-elétron-volt do SLAC National Accelerator Laboratory e foram inspirados em medições ópticas da Universidade de Washington. Na configuração de difração de elétrons ultrarrápida do MIT, pesquisas adicionais foram feitas. O trabalho nas linhas de luz 11-BM e 7-ID na Advanced Photon Source (APS) e na instalação de microscopia eletrônica ultrarrápida no Center for Nanoscale Materials (CNM) acrescentou essas descobertas. Em Argonne, CNM e APS são instalações de usuários do DOE Office of Science.

Um antiferromagneto multicamadas também experimenta efeitos do spin do elétron em durações superiores a picossegundos. Os membros da equipe descobriram que os movimentos flutuantes das camadas diminuíram significativamente em torno do ponto em que os giros dos elétrons mudaram de um comportamento desordenado para um comportamento ordenado em um trabalho anterior empregando equipamentos APS e CNM.