Dança atômica: Luz e a alquimia dos ímãs nos sólidos

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Criando um ímã com luz

Usando luz torcida de alta frequência, pesquisadores demonstraram que é possível fazer átomos de um material sólido girarem a ponto de criar ímãs localizados mesmo em um material que não apresenta magnetização em condições normais.

A criação de bits magnéticos do tamanho de átomos poderá desempenhar um papel revolucionário em aplicações do mundo real, como no armazenamento de dados ultradenso em discos rígidos do futuro.

A luz de alta frequência, disparada contra um cristal de terras raras, produz uma vibração conhecida como fônon quiral – pense nessa quasipartícula como uma vibração não de um lado para o outro, mas em formato de parafuso. Esse fônon faz os átomos do material (fluoreto de cério, ou CeF₄) moverem-se em círculos, o que transforma o átomo em um ímã.

Os íons de flúor (vermelho, fúcsia) são impulsionados por pulsos de luz terahertz circularmente polarizados (espiral amarela), onde o vermelho denota os íons com maior movimento no modo fônon quiral. O íon cério é representado em azul-petróleo. A agulha da bússola representa a magnetização induzida pelos átomos em rotação.
[Imagem: Mario Norton/Jiaming Luo/Rice University]

“Cada elétron possui um spin magnético que atua como uma pequena agulha de bússola embutida no material, reagindo ao campo magnético local,” explicou o professor Boris Yakobson, da Universidade Rice, nos EUA. “A quiralidade – também chamada de lateralidade devido à maneira como as mãos esquerda e direita se espelham sem serem sobreponíveis – não deveria afetar as energias do spin dos elétrons. Mas, neste caso, o movimento quiral da rede atômica polariza os spins internos do material como se um grande campo magnético fosse aplicado.”

E o fato de que tudo é feito com luz é particularmente interessante, uma vez que o alinhamento dos spins dos elétrons com a rotação atômica exigiria um poderoso campo magnético para ser ativado, já que o fluoreto de cério é naturalmente paramagnético, com spins orientados aleatoriamente, mesmo próximo ao zero absoluto.

**É uma demonstração importante de como tirar proveito de estados quânticos em materiais sólidos.** [Imagem: Jiaming Luo et al. – 10.1126/science.adi9601]

Quebra da simetria temporal

Embora seja de curta duração, a força que alinha os spins dura mais que a duração do pulso de luz por uma margem significativa. Como os átomos giram apenas em frequências específicas e se movem por mais tempo em temperaturas mais baixas, medições adicionais dependentes da frequência e da temperatura confirmaram que a magnetização ocorre como resultado da dança quiral coletiva dos átomos.

“O efeito do movimento atômico sobre os elétrons é surpreendente porque os elétrons são muito mais leves e mais rápidos que os átomos,” explicou o professor Hanyu Zhu. “Os elétrons geralmente podem se adaptar imediatamente a uma nova posição atômica, esquecendo sua trajetória anterior. As propriedades dos materiais permaneceriam inalteradas se os átomos seguissem no sentido horário ou anti-horário, ou seja, se viajassem para frente ou para trás no tempo – um fenômeno que os físicos chamam de simetria de reversão do tempo.”

Mas não é o que acontece. A ideia de que o movimento coletivo dos átomos quebra a simetria da reversão do tempo é relativamente recente. Os fônons quirais já foram demonstrados experimentalmente fazendo isto em alguns materiais diferentes, mas exatamente como eles afetam as propriedades do material é algo ainda não bem compreendido.

Isto torna este experimento particularmente importante, porque demonstra que é possível explorar efeitos quânticos em materiais sólidos de maneira incrivelmente simples. Os materiais cujas propriedades dependem de efeitos quânticos – por isso chamados de materiais quânticos – são vistos como o caminho para um futuro de sistemas de informação extremamente rápidos e energeticamente eficientes. Mas isto é mais difícil nos sólidos porque, tipicamente, o vasto número de átomos abafa as propriedades quânticas exóticas que são vistas nos experimentos de laboratório em amostras isoladas.

“Esperamos que a medição quantitativa do campo magnético dos fônons quirais possa nos ajudar a desenvolver protocolos experimentais para estudar novas físicas em materiais dinâmicos,” disse Zhu. “Nosso objetivo é projetar materiais que não existem na natureza por meio de campos externos – como luz ou flutuações quânticas.”

Artigo: Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides