Revelando a dinâmica anômala de antiferromagnetos não colineares – Strong The One

Os materiais magnéticos são fundamentais para a sociedade atual. Nos últimos anos, os antiferromagnetos não colineares têm atraído grande atenção devido às suas intrigantes propriedades distintas dos materiais magnéticos convencionais. Nos ímãs colineares tradicionais, os momentos magnéticos se alinham de maneira colinear. Já nas não colineares, os momentos formam ângulos finitos entre si. Os cientistas descrevem esses arranjos não colineares como um parâmetro de ordem única, o momento octupolo, que tem se mostrado crítico para determinar as propriedades exóticas dos materiais.

Os pesquisadores descobriram que o momento octupolo apresenta respostas não convencionais às correntes elétricas, ou seja, gira na direção oposta aos parâmetros de ordem dos ímãs gerais. Verificou-se que tal anomalia decorre de uma interação entre os spins dos elétrons e a estrutura única de spin quiral do antiferroímã não colinear.

“As propriedades físicas exóticas do antiferromagneto não colinear oferecem um amplo potencial para aplicações em hardware de tecnologia da informação”, disse Ju-Young Yoon, principal autor do estudo e aluno de doutorado da Universidade de Tohoku. “Nossas descobertas fornecem uma base fundamental para dispositivos spintrônicos, como memórias e osciladores”. A spintrônica é um campo interdisciplinar que utiliza o spin dos elétrons para manipular eletricamente o magnetismo, o que pode tornar nossos dispositivos eletrônicos mais rápidos, menores e mais eficientes. Por volta do ano 2000, a comutação induzida por corrente da magnetização em ferromagnetos colineares, amplamente denominados como ímãs, foi demonstrada. Essa descoberta levou à comercialização recente de uma memória de alto desempenho. Espera-se que a chamada memória de acesso aleatório magnetoresistivo de torque de transferência de rotação (STT-MRAM) desempenhe um papel fundamental nas futuras sociedades de baixa emissão de carbono.

Os antiferromagnetos não colineares tornaram-se um dos principais focos da comunidade spintrônica. Apesar de sua magnetização extremamente pequena, sua estrutura de spin quiral induz propriedades ferromagnéticas significativas, como um grande efeito Hall anômalo. Tais fenômenos são conhecidos por serem descritos pelo momento octupolo, com o qual se pode fazer uma analogia com a magnetização em ferromagnetos. Embora a dinâmica de magnetização por corrente tenha sido bem estabelecida nas últimas duas décadas, não é o caso da dinâmica de octupolo, sendo necessária uma investigação sistemática.

Para fornecer isso, os pesquisadores examinaram a resposta do momento octupolo no antiferroímã não colinear Manganês-Estanho (Mn₃Sn). Aplicando um campo magnético e uma corrente elétrica, eles compararam com a magnetização em um ferroímã Cobalto-Ferro-Boro (CoFeB). Enquanto as direções de comutação da magnetização eram as mesmas entre o campo e os casos acionados por corrente, as do momento octupolo eram opostas para o antiferroímã não colinear.

Por meio de uma análise mais profunda, eles revelaram que os momentos magnéticos individuais giram na mesma direção para os dois sistemas, mas o efeito montado impulsiona o momento octupolo na direção oposta devido à estrutura de spin quiral única do antiferroímã não colinear.

“O controle elétrico de materiais magnéticos é de suma importância na spintrônica. Fornecemos informações essenciais para controlar o antiferroímã não colinear, que se distingue de sua contraparte bem estabelecida, o controle elétrico de ferroímãs colineares”, disse o professor Luqiao Liu, do MIT .

O professor Shunsuke Fukami, da Universidade de Tohoku, repetiu isso e acrescentou que “a comercialização do STT-MRAM foi alcançada por um entendimento rigoroso da interação entre magnetização e correntes. Nesse sentido, este trabalho deve formar uma base sólida para o desenvolvimento de dispositivos funcionais com antiferromagnetos não colineares.”