Dois materiais “impossveis” so unidos em um melhor ainda

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 03/04/2025

O segredo est na interface

A grande maioria das tecnologias de ponta – de transistores e LEDs a clulas solares e supercondutores – no fabricada de um material nico, mas de uma mescla de materiais.

Isto porque a maioria dos fenmenos mais interessantes no ocorre no meio de um material puro, mas na interface entre dois materiais – essas interfaces so o corao das famosas heterojunes, as junes de dois materiais diferentes.

Sabendo disso, Mikhail Kareev e colegas da Universidade Rutgers, nos EUA, se dedicaram logo a fazer uma interface entre dois materiais emergentes, ambos com enorme potencial tecnolgico: um semimetal de Weyl e um gelo de spin.

De to exticos, esses materiais so chamados de “materiais impossveis” porque suas propriedades so to inusitadas – e nicas at agora – que desafiam a compreenso convencional da fsica quntica.

Um semimetal de Weyl um material quntico descoberto recentemente que possui propriedades topolgicas, ou seja, o que acontece nas suas bordas diferente do que acontece no seu interior. Essa classe de materiais j est sendo pesquisada para novas formas de armazenar informaes e at para um tipo ainda inexplorado de computao quntica.

O gelo de spin um material artificial formado por uma malha de nanoms organizados em um padro geomtrico especfico – uma rede dipolar – que os faz interagirem uns com os outros. Ele tambm topolgico e vem sendo usado principalmente em experimentos cientficos, como o que rendeu o Nobel de Fsica de 2021, mas tambm j se sabe que ele pode dar origem a um motor magntico sem partes mveis.

D para imaginar ento o que poder ser possvel fazer agora que os dois materiais foram unidos, gerando uma interface para l de interessante.

A equipe precisou desenvolver um equipamento nico para conseguir sintetizar o novo material, fazendo suas redes atmicas coincidirem precisamente, para que os dois materiais iniciais se unissem.
[Imagem: Jeff Arban/Rutgers University]

Sanduche quntico

Assim como os dois materiais individualmente j foram considerados impossveis, fazer uma heterojuno dos dois era igualmente considerada impraticvel. Mas, fazendo um impossvel de cada vez, a equipe sintetizou uma estrutura extica que dever ter ainda mais aplicaes do que as partes individualmente.

Foram quatro anos de experimentao contnua para projetar e construir um sanduche nico e minsculo, composto de vrias camadas atmicas.

Uma fatia da estrutura microscpica feita de titanato de disprsio (Dy₂Ti₂O₇), um composto inorgnico usado em reatores nucleares para capturar materiais radioativos e conter partculas monopolares magnticas elusivas. A outra fatia composta de iridato de pirocloro (Eu₂Ir₂O₇), um novo semimetal magntico usado principalmente na pesquisa experimental devido s suas propriedades eletrnicas, topolgicas e magnticas nicas.

A construo dessa estrutura extica em sanduche cria uma nova plataforma experimental no campo das interfaces, a rea onde os materiais se encontram, na escala atmica – o que os fsicos chamam de materiais qunticos.

“Este trabalho fornece uma nova maneira de projetar materiais qunticos bidimensionais artificiais inteiramente novos, com o potencial de impulsionar as tecnologias qunticas e fornecer uma viso mais profunda de suas propriedades fundamentais de maneiras que antes eram impossveis,” disse o professor Jak Chakhalian.

Micrografias da nova interface quntica.
[Imagem: Mikhail Kareev et al. – 10.1021/acs.nanolett.4c03969]

Materiais impossveis

O titanato de disprsio um gelo de spin, no qual pequenos ms – os spins – so dispostos de uma forma que se parece exatamente com o padro do gelo de gua. A estrutura nica dos pequenos ms no gelo de spin permite que eles funcionem como partculas especiais, chamadas monopolos magnticos. Esses ms sem polos, previstos em 1931 por Paul Dirac, no existem em forma livre no Universo e, ainda assim, dentro do gelo de spin eles emergem como resultado das interaes mecnicas qunticas entre as partculas constituintes.

O iridato de pirocloro semimetlico tambm considerado extico porque contm pequenas partculas relativsticas chamadas frmions de Weyl. Previstos por Hermann Weyl em 1929, essas partculas exticas s foram encontradas em 2015 em cristais. Elas movem-se como a luz e podem girar de diferentes maneiras, para a esquerda ou para a direita.

Suas propriedades eletrnicas so muito fortes e resistem a certos tipos de perturbaes ou impurezas – esta uma das principais caractersticas dos materiais topolgicos -, tornando-as muito estveis quando operadas como parte de dispositivos eletrnicos, por exemplo, como qubits imunes a rudos. Como resultado, o iridato de pirocloro pode conduzir eletricidade muito bem, responder de maneiras incomuns a campos magnticos e mostrar efeitos especiais quando exposto a campos eletromagnticos.

As propriedades combinadas do novo material agora criado o tornam um candidato promissor para uso em tecnologias avanadas, incluindo a computao quntica e, especialmente, para sensores qunticos de prxima gerao. “Este estudo um grande passo frente na sntese de materiais e pode impactar significativamente a maneira como criamos sensores qunticos e avanamos os componentes spintrnicos,” disse Chakhalian.

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