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Pesquisadores na Alemanha e nos EUA produziram a primeira demonstração teórica de que o estado magnético de um material atomicamente fino, α-RuCl3, pode ser controlado apenas colocando-o em uma cavidade óptica. Crucialmente, as flutuações do vácuo da cavidade por si só são suficientes para alterar a ordem magnética do material de um antiferromagneto em zigue-zague para um ferromagneto. O trabalho da equipe foi publicado em Materiais Computacionais npj.
Um tema recente na pesquisa em física de materiais tem sido o uso de luz laser intensa para modificar as propriedades de materiais magnéticos. Ao projetar cuidadosamente as propriedades da luz laser, os pesquisadores conseguiram modificar drasticamente a condutividade elétrica e as propriedades ópticas de diferentes materiais. No entanto, isso requer estimulação contínua por lasers de alta intensidade e está associado a alguns problemas práticos, principalmente a dificuldade de impedir o aquecimento do material. Os pesquisadores estão, portanto, procurando maneiras de obter controle semelhante sobre os materiais usando luz, mas sem empregar lasers intensos.
Agora, os teóricos do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) em Hamburgo, Alemanha, da Universidade de Stanford e da Universidade da Pensilvânia (ambos nos EUA) criaram uma abordagem fundamentalmente diferente para alterar as propriedades magnéticas de um material real. em uma cavidade – sem o uso de qualquer luz laser. A colaboração deles mostra que a cavidade por si só é suficiente para transformar o antiferromagneto em zigue-zague α-RuCl3 em um ferromagneto.
Crucialmente, a equipe demonstra que mesmo em uma cavidade aparentemente escura, α-RuCl3 detecta modificações do ambiente eletromagnético e altera seu estado magnético de acordo. Este é um efeito puramente mecânico quântico, decorrente do fato de que, dentro da teoria quântica, a cavidade vazia (tecnicamente chamada de estado de vácuo) nunca está realmente vazia. Em vez disso, o campo de luz flutua de modo que as partículas de luz aparecem e desaparecem, o que, por sua vez, afeta as propriedades do material.
“A cavidade óptica confina o campo eletromagnético a um volume muito pequeno, melhorando assim o acoplamento efetivo entre a luz e o material”, explica o autor principal Emil Viñas Boström, pesquisador de pós-doutorado no Grupo de Teoria MPSD. “Nossos resultados mostram que projetar cuidadosamente as flutuações de vácuo do campo elétrico da cavidade pode levar a mudanças drásticas nas propriedades magnéticas de um material.” Como nenhuma excitação luminosa é necessária, a abordagem, em princípio, contorna os problemas associados ao acionamento contínuo do laser.
Este é o primeiro trabalho que demonstra tal controle de cavidades sobre o magnetismo em um material real, e segue investigações anteriores sobre controle de cavidades de materiais ferroelétricos e supercondutores. Os investigadores esperam que o design de cavidades específicas os ajude a perceber fases novas e indescritíveis da matéria e a compreender melhor a delicada interação entre a luz e a matéria.
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