Físicos descobrem uma nova forma estranha de magnetismo dentro do ‘grafeno magnético’

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(Créditos: LAGUNA DESIGN/Getty Images)

Por Peter Dockrill
Publicado na ScienceAlert

Desde a infância, somos ensinados que o mundo existe em três dimensões físicas. Isso é verdade, na maior parte, mas não aborda algo bastante fascinante: o estranho mundo bidimensional de materiais em nanoescala, como o grafeno.

O grafeno e suas contrapartes projetadas de camada única existem, de fato, em três dimensões, embora apenas por pouco – situando-se bem na margem, atomicamente falando. Isso porque esses materiais ditos 2D têm apenas um átomo de espessura, incorporando uma incrível finura estrutural que lhes concede todos os tipos de poderes estranhos.

Vemos isso na força formidável do grafeno e na forma como ele se aproxima da supercondutividade.

As coisas ficam ainda mais estranhas quando o grafeno faz amigos: ao empilhar folhas desse material bidimensional em um sanduíche de três camadas e três átomos de altura, uma forma rara de magnetismo é revelada.

Agora, em um novo estudo conduzido por físicos da Universidade de Cambridge, os cientistas realizaram o mesmo tipo de façanha magnética com um material bidimensional diferente chamado trissulfeto de ferro-fósforo (FePS3).

Ilustração da estrutura magnética do trissulfeto de ferro-fósforo (FePS3), um material bidimensional que sofre uma transição de isolante para metal quando comprimido. (Créditos: Universidade de Cambridge)

FePS3 não é a mesma coisa que o grafeno – que é composto por uma única camada de átomos de carbono – mas é frequentemente apelidado de ‘grafeno magnético’, devido às suas misteriosas capacidades em dimensões ultrafinas de camadas.

Em um estudo anterior feito por alguns dos mesmos pesquisadores, a equipe descobriu que quando camadas comprimidas de FePS3 foram submetidas a altos níveis de pressão, o material passou de isolante, impedindo o fluxo de elétrons, para um estado metálico onde se tornou um condutor.

Mas os pesquisadores ainda não entenderam completamente o que está por trás do comportamento magnético desse ‘grafeno magnético’ sob pressão, já que era esperado que o FePS3 deixasse de ser magnético ao entrar no estado metálico.

“A peça que faltava permaneceu, no entanto, sendo o magnetismo”, disse o físico quântico Matthew Coak.

“Sem técnicas experimentais capazes de sondar as assinaturas do magnetismo neste material em pressões tão altas, nossa equipe internacional teve que desenvolver e testar nossas próprias novas técnicas para tornar isso possível.”

De acordo com a nova pesquisa, o FePS3 retém seu magnetismo sob pressão extremamente alta devido a um tipo de magnetismo recém-descoberto que ainda existe durante a fase metálica.

“Para nossa surpresa, descobrimos que o magnetismo sobrevive e é de algumas formas fortalecido”, explicou o pesquisador sênior e físico Siddharth Saxena, líder do grupo no Laboratório Cavendish de Cambridge.

“Isso é inesperado, já que os elétrons recém-vagando livremente em um novo material condutor não podem mais ser fixados em seus átomos de ferro para gerar momentos magnéticos – a menos que a condução venha de uma fonte inesperada.”

Embora ainda não tenhamos todas as respostas sobre o que está acontecendo aqui, durante a compressão, o ‘spin’ dos elétrons no material pareceu ser uma fonte de magnetismo – e o fenômeno pode ser ajustado dependendo de quanta pressão o FePS3 está sendo sujeitado.

Embora os resultados contradigam observações anteriores de como este material deve se comportar, as surpresas encontradas aqui sugerem que podemos ser capazes de ajustar o grafeno magnético e seus semelhantes ainda mais – potencialmente encontrando materiais que suportam supercondutividade devido a essas formas exóticas de magnetismo que ainda não compreendemos totalmente.

“Não sabemos exatamente o que está acontecendo no nível quântico, mas, ao mesmo tempo, podemos manipulá-lo”, disse Saxena.

“É como aqueles famosos ‘mistérios dentro de mistérios’: abrimos uma nova porta para as propriedades da informação quântica, mas ainda não sabemos quais podem ser essas propriedades.”

As conclusões são relatadas na Physical Review X.