Por quase 90 anos, os físicos dividiram os materiais magnéticos em duas categorias principais: ferromagnetos e antiferromagnetos. Agora, os cientistas confirmaram que existe um terceiro tipo, revelando uma forma de comportamento magnético anteriormente não reconhecida que pode levar a grandes avanços na computação e na eletrónica.
A descoberta vem de uma equipe de pesquisa liderada pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos EUA. Em um estudo publicado em Ciênciaos pesquisadores apresentaram evidências experimentais convincentes do altermagnetismo, uma fase magnética distinta que combina características importantes dos dois tipos tradicionalmente reconhecidos.
“Nos últimos anos, os cientistas observaram fenômenos que não se enquadram perfeitamente na dicotomia ferromagnetismo-antiferromagnetismo”, explicou o autor principal Daniel Jost, cientista associado do SLAC e do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia. “Os investigadores têm compilado evidências de um terceiro tipo de magnetismo que une as qualidades destas duas classes. Acreditamos que os nossos resultados fornecem uma confirmação experimental robusta de que esta terceira fase – o altermagnetismo – é real.”
A equipe se concentrou no telureto de manganês (MnTe), um material que há muito é classificado como antiferromagneto. Com base em pesquisas anteriores, os cientistas identificaram evidências diretas de quiralidade, uma assimetria distinta na estrutura magnética do material. Esta propriedade se assemelha à forma como uma escada em espiral ou parafuso gira em uma direção específica e fornece uma assinatura crucial do altermagnetismo.
Além da sua importância para a física fundamental, a descoberta poderá ajudar os investigadores a desenvolver materiais magnéticos com propriedades adequadas para tecnologias futuras, incluindo sistemas de memória avançados, dispositivos quânticos e centros de dados mais eficientes em termos energéticos.
Compreendendo os dois tipos tradicionais de magnetismo
O magnetismo é familiar nas experiências cotidianas, seja um ímã de geladeira segurando uma fotografia ou uma bússola alinhando-se com o campo magnético da Terra. Mas a física por trás destes efeitos é muito mais complicada do que parece.
No nível atômico, o magnetismo está conectado a uma propriedade quântica dos elétrons conhecida como spin. Embora o spin não seja literalmente um elétron girando como uma pequena bola, ele se comporta de certas maneiras como se o elétron tivesse seu próprio momento angular. Os cientistas geralmente descrevem as duas possíveis orientações de rotação como “para cima” e “para baixo”.
Quando esses spins são organizados em padrões específicos, um material pode exibir propriedades magnéticas. No entanto, isso não significa necessariamente que produzirá um campo magnético detectável externamente.
Em materiais ferromagnéticos, os spins dos elétrons se alinham na mesma direção (cima-cima-cima ou baixo-baixo-baixo). Seu efeito combinado produz o campo magnético familiar associado aos ímãs comuns. As pessoas usam materiais com esse comportamento há milhares de anos.
Uma segunda categoria, identificada em 1933, funciona de forma diferente. Nos antiferromagnetos, os spins dos elétrons vizinhos apontam em direções opostas (cima-baixo-cima-baixo). Como as contribuições magnéticas se opõem, elas se anulam, não deixando nenhuma magnetização geral.
Um terceiro tipo de magnetismo desafia as antigas regras
Durante quase nove décadas, estas duas categorias forneceram a estrutura básica para a compreensão de como surge a ordem magnética nos materiais. No entanto, observações experimentais nos últimos anos começaram a revelar comportamentos que nenhuma das categorias conseguia explicar completamente.
Alguns materiais exibiam spins de elétrons alternados e nenhuma magnetização geral, assim como os antiferromagnetos. No entanto, eles também poderiam suportar correntes de spin úteis, uma propriedade associada ao comportamento ferromagnético. As correntes de spin permitem que as informações sejam transportadas através das propriedades de spin dos elétrons, em vez de depender inteiramente de sua carga elétrica.
A combinação incomum sugeria que os cientistas estavam lidando com algo fundamentalmente diferente. Em 2022, os pesquisadores introduziram o termo “alterímãs” para materiais pertencentes a esta terceira classe magnética proposta.
A principal diferença está na disposição dos átomos dentro do material. Os alterímãs têm orientações de spin alternadas (cima-baixo-cima-baixo), mas as estruturas cristalinas que cercam os spins alinhados de forma oposta são giradas uma em relação à outra.
Esta rotação quebra uma forma de simetria que existe nos antiferromagnetos convencionais. Embora a distinção seja sutil, ela pode mudar drasticamente o comportamento dos elétrons, permitindo que os alterímãs combinem propriedades antes consideradas incompatíveis.
Cientistas encontram as evidências que faltam para o altermagnetismo
Mesmo com o acúmulo de apoio experimental ao altermagnetismo, os pesquisadores ainda precisavam de uma maneira decisiva de estabelecer que ele representava uma fase magnética genuinamente distinta.
“Em 2024, havia alguns fatores que falavam fortemente a favor da realidade do altermagnetismo”, disse Jost, “mas ainda faltava uma peça no quebra-cabeça”.
A falta de evidências envolvia quiralidade, uma propriedade às vezes descrita como “lateralidade”. Um objeto é quiral quando sua imagem espelhada não pode estar perfeitamente alinhada com o original. As mãos humanas fornecem um exemplo simples: suas mãos esquerda e direita são imagens espelhadas, mas a mão esquerda não cabe corretamente em uma luva para destros.
Em um alterímã, o arranjo incomum de átomos e spins de elétrons pode criar esse tipo de lateralidade na estrutura eletrônica e magnética do material. Os antiferromagnetos convencionais não exibem a mesma assinatura quiral característica.
Detectar essa diferença forneceria uma maneira poderosa de distinguir um verdadeiro alterímã de um material que apenas se assemelha a um.
Os pesquisadores selecionaram o telureto de manganês como material de teste. Durante décadas, os cientistas consideraram-no um antiferromagneto comum, mas estudos mais recentes levantaram a possibilidade de pertencer à categoria recentemente proposta.
Raios X poderosos revelam uma assinatura magnética oculta
Para investigar as propriedades incomuns do material, a equipe conduziu experimentos no European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), na França. A linha de luz ID32 da instalação produz raios X polarizados controlados com precisão, permitindo aos cientistas examinar estruturas magnéticas sutis que, de outra forma, seriam extremamente difíceis de detectar.
Os pesquisadores usaram raios X polarizados circularmente, que possuem campos elétricos que giram na direção para a esquerda ou para a direita à medida que a luz viaja. Ao medir como o material espalhava essas duas formas de luz, eles poderiam procurar evidências de quiralidade.
“Os materiais quirais espalham os feixes de raios X polarizados para canhotos de maneira diferente dos feixes para destros”, explicou Jost. “Materiais não quirais espalhariam cada feixe de luz da mesma maneira.”
O experimento revelou uma clara diferença na forma como o telureto de manganês interagia com as duas polarizações de raios-X. Esta resposta quiral distinta era precisamente o tipo de sinal esperado do altermagnetismo e não estaria presente num antiferromagneto convencional.
“Esta assinatura quiral deu-nos uma base experimental sólida para dizer que o altermagnetismo pertence a uma classe própria”, disse Jost.
Os pesquisadores realizaram o experimento pela primeira vez em 2024. Eles retornaram no início de 2025 e repetiram as medições, reproduzindo com sucesso os resultados e fortalecendo as evidências da nova fase magnética.
“Essa técnica nos ajudou a confirmar que o telureto de manganês realmente exibia propriedades altermagnéticas”, disse Rachel Nickel, cientista de pós-doutorado da ESRF, coautora que ajudou a projetar e conduzir o experimento na linha de luz ID32. “O altermagnetismo só foi proposto há alguns anos e o rápido progresso na confirmação destes modelos é incrível.”
Por que o altermagnetismo poderia transformar os computadores do futuro
A descoberta pode ter consequências importantes para a spintrônica, um campo em crescimento que busca usar o spin do elétron para desenvolver dispositivos eletrônicos mais capazes.
A eletrônica convencional armazena e processa informações principalmente controlando a carga elétrica dos elétrons. A Spintrônica acrescenta outra maneira de trabalhar com informações, aproveitando também o spin do elétron.
Esta capacidade extra poderia permitir que dispositivos operem mais rapidamente, resistam a interferências de forma mais eficaz e consumam substancialmente menos eletricidade. Tais melhorias seriam especialmente valiosas em memória de computador, grandes centros de dados e outras tecnologias que exigem enormes quantidades de processamento de informações.
No entanto, os dois tipos tradicionais de magnetismo apresentam obstáculos diferentes que têm limitado o desenvolvimento de sistemas spintrônicos.
“Os ferromagnetos são facilmente influenciados pelos campos magnéticos”, explicou Jost. “Se você tiver um ímã permanente no bolso e passar por um dispositivo spintrônico construído com ferromagnetos, poderá começar a inverter os bits, embaralhando as informações ali armazenadas. Os antiferromagnetos resolvem esse problema, mas são praticamente invisíveis – então você não pode ler facilmente os dados armazenados neles ou usá-los para gerar correntes de spin eficientes.”
Altermagnets oferecem uma alternativa potencialmente valiosa. Tal como os antiferromagnetos, os seus spins opostos não produzem magnetização geral, ajudando a protegê-los contra interferências magnéticas indesejadas. Ao mesmo tempo, sua estrutura eletrônica incomum permite gerar correntes polarizadas por spin que podem ser usadas para recuperar informações.
“Os alterímãs combinam o melhor de ambos”, disse Jost. “Eles têm magnetização líquida zero, então são estáveis, mas ainda têm a capacidade de gerar correntes polarizadas por spin, necessárias para extrair facilmente informações. Isso lhe dá um grau adicional de liberdade para trabalhar.”
Uma nova fronteira para tecnologia quântica e eletrônica
A confirmação do altermagnetismo dá aos cientistas uma nova classe de materiais para investigar e potencialmente projetar para aplicações tecnológicas. Ao combinar a estabilidade magnética com a capacidade de manipular informações baseadas em spin, esses materiais poderiam ajudar a superar os desafios que têm impedido os dispositivos spintrônicos convencionais.
O próximo passo será aprender como controlar estados altermagnéticos usando influências externas como luz e eletricidade. Os pesquisadores esperam que o domínio desse controle torne possível projetar dispositivos práticos que aproveitem as propriedades magnéticas incomuns.
Embora ainda seja necessário um desenvolvimento significativo antes que estes materiais possam ser amplamente utilizados, as descobertas estabelecem uma base experimental mais forte para trabalhos futuros em tecnologias quânticas, memória de computador e centros de dados mais eficientes.
A pesquisa recebeu financiamento parcial do DOE Office of Science.
Fonte: ScienceDaily
