Pesquisadores da EPFL descobriram que, ao projetar diferentes comprimentos de onda de luz sobre um material chamado magnetita, eles podem mudar seu estado, tornando-o mais ou menos propício à eletricidade. Isso pode levar ao desenvolvimento de materiais inovadores para eletrônicos.
A magnetita é o ímã natural mais antigo e forte. É usada em eletrônica e tem propriedades únicas que a tornaram interessante no campo da spintrônica – dispositivos que funcionam no spin dos elétrons em vez de seu fluxo (que é o que conhecemos como corrente elétrica). Além de tudo isso, a magnetita desempenhou um papel crucial na compreensão do magnetismo, atraindo o interesse de Einstein e outros cientistas famosos. Suas propriedades magnéticas e eletrônicas são estudadas em biomagnetismo, catálise e paleomagnetismo.
Recentemente, a pesquisa sobre a exploração de suas propriedades de comutação fora do equilíbrio ganhou força, destacando seu potencial para tecnologias avançadas. A rica história da magnetita e suas aplicações multifacetadas continuam a fascinar e impulsionar a descoberta científica.
“Há algum tempo mostramos que é possível induzir uma transição de fase inversa na magnetita”, diz o físico Fabrizio Carbone, da EPFL. “É como se você pegasse água e pudesse transformá-la em gelo, colocando energia nela com um laser. Isso é contra-intuitivo, já que normalmente para congelar a água você a resfria, o que significa que você remove energia dela.”
Agora, Carbone liderou um projeto de pesquisa para elucidar e controlar as propriedades estruturais microscópicas da magnetita durante essas transições de fase induzidas pela luz. O estudo descobriu que, usando comprimentos de onda de luz específicos (cores) para fotoexcitação, o sistema pode levar a magnetita a estados metaestáveis de não equilíbrio distintos (“metaestável” significa que o estado pode mudar sob certas condições) chamados de “fases ocultas”, revelando assim um novo protocolo para manipular propriedades de materiais em escalas de tempo ultrarrápidas.
As descobertas, que podem impactar o futuro da eletrônica, são publicadas em PNAS.
O que são “estados de não equilíbrio” – Um “estado de equilíbrio” é basicamente um estado estável onde as propriedades de um material não mudam ao longo do tempo porque as forças dentro dele estão equilibradas. Quando isso é interrompido, o material (o “sistema”, para ser preciso em termos de física) é dito entrar em um estado de não equilíbrio, exibindo propriedades que podem beirar o exótico e o imprevisível.
As “fases ocultas” da magnetita
Uma transição de fase é uma mudança no estado de um material, devido a mudanças de temperatura, pressão ou outras condições externas. Um exemplo cotidiano é a água passando de gelo sólido para líquido ou de líquido para gás quando ferve.
Transições de fase em materiais geralmente seguem caminhos previsíveis sob condições de equilíbrio. Mas quando os materiais são tirados do equilíbrio, eles podem começar a mostrar as chamadas “fases ocultas” – estados intermediários que normalmente não são acessíveis. Observar fases ocultas requer técnicas avançadas que podem capturar mudanças rápidas e mínimas na estrutura do material.
Magnetita (Fe3Ó4) é um material bem estudado, conhecido por sua intrigante transição de metal para isolante em baixas temperaturas – de ser capaz de conduzir eletricidade a bloqueá-la ativamente. Isso é conhecido como transição de Verwey, e muda significativamente as propriedades eletrônicas e estruturais da magnetita.
Com sua interação complexa de estrutura cristalina, carga e ordens orbitais, a magnetita pode passar por essa transição metal-isolante em torno de 125 K.
Lasers ultrarrápidos induzem transições ocultas em magnetita
“Para entender melhor esse fenômeno, fizemos esse experimento em que observamos diretamente os movimentos atômicos que acontecem durante essa transformação”, diz Carbone. “Descobrimos que a excitação a laser leva o sólido a algumas fases diferentes que não existem em condições de equilíbrio.”
Os experimentos usaram dois comprimentos de onda diferentes de luz: infravermelho próximo (800 nm) e visível (400 nm). Quando excitada com pulsos de luz de 800 nm, a estrutura da magnetita foi rompida, criando uma mistura de regiões metálicas e isolantes. Em contraste, pulsos de luz de 400 nm tornaram a magnetita um isolante mais estável.
Para monitorar as mudanças estruturais na magnetita induzidas por pulsos de laser, os pesquisadores usaram a difração de elétrons ultrarrápida, uma técnica que pode “ver” os movimentos dos átomos em materiais em escalas de tempo subpicossegundos (um picossegundo é um trilionésimo de segundo).
A técnica permitiu aos cientistas observar como os diferentes comprimentos de onda da luz laser realmente afetam a estrutura da magnetita em escala atômica.
A estrutura cristalina da magnetita é chamada de “rede monoclínica”, onde a célula unitária tem o formato de uma caixa enviesada, com três bordas desiguais, e dois de seus ângulos são de 90 graus, enquanto o terceiro é diferente.
Quando a luz de 800 nm brilhou na magnetita, ela induziu uma rápida compressão da rede monoclínica da magnetita, transformando-a em uma estrutura cúbica. Isso ocorre em três estágios ao longo de 50 picossegundos e sugere que há interações dinâmicas complexas acontecendo dentro do material. Por outro lado, a luz visível de 400 nm fez com que a rede se expandisse, reforçando a rede monoclínica e criando uma fase mais ordenada – um isolante estável.
Implicações fundamentais e aplicações tecnológicas
O estudo revela que as propriedades eletrônicas da magnetita podem ser controladas usando seletivamente diferentes comprimentos de onda de luz. Entender essas transições induzidas pela luz fornece insights valiosos sobre a física fundamental de sistemas fortemente correlacionados.
“Nosso estudo abre caminho para uma nova abordagem para controlar a matéria em escala de tempo ultrarrápida usando pulsos de fótons personalizados”, escrevem os pesquisadores. Ser capaz de induzir e controlar fases ocultas na magnetita poderia ter implicações significativas para o desenvolvimento de materiais e dispositivos avançados. Por exemplo, materiais que podem alternar entre diferentes estados eletrônicos de forma rápida e eficiente poderiam ser usados em dispositivos de computação e memória de próxima geração.
Referências
Truc, B., Usaia, P., Pennacchio, F., Berruto, G., Claude, R., Madan, I., Sala, V., LaGrange, T., Vanacore, GM, Benhabib, S., & Carbone, F. (2024). Geração ultrarrápida de fases ocultas via fotoexcitação eletrônica ajustada por energia em magnetita. PNAS 20 de junho de 2024. DOI: 10.1073/pnas.2316438121
