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Pela primeira vez, físicos experimentais do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat demonstraram um novo efeito quântico apropriadamente chamado de “spinaron”. Num ambiente meticulosamente controlado e recorrendo a um conjunto avançado de instrumentos, conseguiram comprovar o estado invulgar que um átomo de cobalto assume numa superfície de cobre. Esta revelação desafia o antigo efeito Kondo – um conceito teórico desenvolvido na década de 1960 e que tem sido considerado o modelo padrão para a interação de materiais magnéticos com metais desde a década de 1980. Essas descobertas inovadoras foram publicadas hoje na revista Física da Natureza.
Condições extremas prevalecem no laboratório de Würzburg dos físicos experimentais Professor Matthias Bode e Dr. Artem Odobesko. Afiliados ao Cluster of Excellence ct.qmat, uma colaboração entre JMU Würzburg e TU Dresden, esses visionários estão estabelecendo novos marcos na pesquisa quântica. O seu mais recente esforço é revelar o efeito spinaron. Eles colocaram estrategicamente átomos de cobalto individuais em uma superfície de cobre, reduziram a temperatura para 1,4 Kelvin (-271,75° Celsius) e depois os submeteram a um poderoso campo magnético externo. “O íman que utilizamos custa meio milhão de euros. Não é algo que esteja amplamente disponível”, explica Bode. A análise subsequente produziu revelações inesperadas.
Átomo Minúsculo, Efeito Massivo
“Podemos ver os átomos de cobalto individuais usando um microscópio de tunelamento de varredura. Cada átomo tem um spin, que pode ser considerado um pólo norte ou sul magnético. Medir isso foi crucial para nossas descobertas surpreendentes”, explica Bode. “Depositamos por vapor um átomo magnético de cobalto em uma base de cobre não magnética, fazendo com que o átomo interaja com os elétrons do cobre. Pesquisar esses efeitos de correlação em materiais quânticos está no centro da missão do ct.qmat – uma busca que promete transformação inovações tecnológicas no futuro.
Como um rugby em uma piscina de bolinhas
Desde a década de 1960, os físicos do estado sólido assumiram que a interação entre o cobalto e o cobre pode ser explicada pelo efeito Kondo, com as diferentes orientações magnéticas do átomo de cobalto e dos elétrons do cobre cancelando-se mutuamente. Isso leva a um estado em que os elétrons do cobre estão ligados ao átomo de cobalto, formando o que é chamado de “nuvem Kondo”. No entanto, Bode e sua equipe se aprofundaram em seu laboratório. E validaram uma teoria alternativa proposta em 2020 pelo teórico Samir Lounis, do instituto de pesquisa Forschungszentrum Jülich.
Aproveitando o poder de um intenso campo magnético externo e usando uma ponta de ferro no microscópio de tunelamento de varredura, os físicos de Würzburg conseguiram determinar a orientação magnética do spin do cobalto. Este spin não é rígido, mas alterna permanentemente para frente e para trás, ou seja, de “spin-up” (positivo) para “spin-down” (negativo) e vice-versa. Essa comutação excita os elétrons do cobre, um fenômeno denominado efeito spinaron. Bode elucida isso com uma analogia vívida: “Por causa da mudança constante no alinhamento do spin, o estado do átomo de cobalto pode ser comparado a uma bola de rugby. Quando uma bola de rugby gira continuamente em uma caixa de bolinhas, as bolas circundantes são deslocadas em um maneira ondulatória. Isso é exatamente o que observamos – os elétrons do cobre começaram a oscilar em resposta e se ligaram ao átomo de cobalto.” Bode continua: “Esta combinação da mudança de magnetização do átomo de cobalto e dos elétrons de cobre ligados a ele é o spinaron previsto pelo nosso colega Jülich.”
A primeira validação experimental do efeito spinaron, cortesia da equipe de Würzburg, lança dúvidas sobre o efeito Kondo. Até agora, era considerado o modelo universal para explicar a interação entre átomos magnéticos e elétrons em materiais quânticos como a dupla cobalto-cobre. Bode brinca: “É hora de inserir um asterisco significativo nesses livros de física!”
Spinaron e Spintrônica
No efeito spinaron, o átomo de cobalto permanece em movimento perpétuo, mantendo sua essência magnética apesar da interação com os elétrons. No efeito Kondo, por outro lado, o momento magnético é neutralizado pelas interações dos elétrons. “Nossa descoberta é importante para a compreensão da física dos momentos magnéticos em superfícies metálicas”, declara Bode. Olhando para o futuro, tais fenômenos poderiam abrir caminho para a codificação e transporte de informações magnéticas em novos tipos de dispositivos eletrônicos. Chamada de “spintrônica”, isso poderia tornar a TI mais verde e mais eficiente em termos energéticos.
Porém, Bode modera as expectativas ao falar sobre a praticidade dessa combinação cobalto-cobre. “Essencialmente, manipulamos átomos individuais em temperaturas ultrabaixas em uma superfície imaculada em vácuo ultra-alto. Isso é inviável para telefones celulares. Embora o efeito de correlação seja um divisor de águas na pesquisa fundamental para a compreensão do comportamento da matéria, posso ‘ Não construa um switch real a partir dele.”
Atualmente, o físico quântico de Würzburg, Artem Odobesko, e o teórico de Jülich, Samir Lounis, estão se concentrando em uma revisão em larga escala das numerosas publicações que descreveram o efeito Kondo em várias combinações de materiais desde 1960. “Suspeitamos que muitos possam estar realmente descrevendo o efeito spinaron”, diz Odobesko, acrescentando: “Se assim for, reescreveremos a história da física quântica teórica”.
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