Uma nova maneira de controlar as propriedades magnéticas de elementos de terras raras

As propriedades especiais dos materiais magnéticos de terras raras são devidas aos elétrons na camada 4f. Até agora, as propriedades magnéticas dos elétrons 4f eram consideradas quase impossíveis de controlar.

Agora, uma equipe do HZB, Freie Universität Berlin e outras instituições mostrou pela primeira vez que pulsos de laser podem influenciar elétrons 4f – e, assim, mudar suas propriedades magnéticas. A descoberta, que foi feita por meio de experimentos no EuXFEL e FLASH, abre um novo caminho para o armazenamento de dados com elementos de terras raras.

Os ímãs mais fortes que conhecemos são baseados em terras raras. Seus elétrons 4f são responsáveis ​​por suas propriedades magnéticas: eles geram um grande momento magnético que é mantido mesmo quando seu ambiente químico muda. Isso significa que terras raras podem ser usadas em compostos e ligas muito diferentes sem alterar suas propriedades magnéticas especiais.

Até agora, presumia-se que as propriedades magnéticas dos elétrons 4f não poderiam ser alteradas mesmo se o material fosse excitado com um pulso de laser. Mas, de fato, isso é possível, como uma equipe do HZB, Freie Universität Berlin, DESY, o laser de raios X europeu XFEL e outras instituições agora mostraram.

O arranjo espacial dos elétrons 4f pode ser brevemente trocado por excitação a laser. Isso também muda seu magnetismo. Esse efeito abre novas possibilidades para o controle rápido e energeticamente eficiente de materiais magnéticos de terras raras. O trabalho foi publicado agora no periódico A ciência avança.

Térbio estudado nos lasers de raios X EuXFEL e FLASH

A equipe realizou experimentos nos lasers de raios X EuXFEL e FLASH e analisou amostras de térbio, um elemento de terra rara com número atômico 65 e um total de 8 elétrons em orbitais 4f. A amostra foi excitada com um pulso de laser ultracurto e analisada por espectroscopia de raios X.

A radiação de raios X suave usada no estudo é capaz de determinar a estrutura eletrônica de um material de forma muito sensível. O experimento mostra que, após a excitação do laser, os elétrons 4f mudam brevemente para um orbital com uma distribuição espacial diferente. Isso se deve a um processo de espalhamento com elétrons 5d, que não havia sido considerado antes. A redistribuição dos elétrons 4f pela excitação do laser causa uma breve mudança em suas propriedades magnéticas.

Materiais de terras raras como dispositivos de armazenamento de dados

Essa comutação controlada abre novas aplicações para materiais de terras raras, como dispositivos de armazenamento de informações rápidos e com eficiência energética. Até agora, terras raras não foram usadas em mídias de armazenamento magnético.

As mídias de armazenamento mais recentes são os chamados dispositivos de armazenamento de dados HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), nos quais estruturas magnéticas são aquecidas por um pulso de laser para serem comutadas por um ímã.

Com os ímãs de terras raras muito mais fortes, um pulso de laser ultracurto poderia agora excitar os elétrons 4f e permitir a comutação — um efeito eletrônico que seria ainda mais rápido e eficiente do que o mecanismo de aquecimento na memória HAMR.

Espectroscopia de alta resolução com pulsos de raios X ultracurtos no BESSY II

Esta pesquisa foi possível graças ao desenvolvimento de fontes de raios X baseadas em aceleradores para gerar pulsos de raios X ultracurtos nas últimas décadas. Essas fontes de raios X permitem observar processos elementares em materiais magnéticos em escalas de tempo de alguns femtossegundos. Um femtossegundo (10^-15 s) é um milionésimo de um bilionésimo de segundo. A luz viaja por cerca de um fio de cabelo em 300 femtossegundos.

O trabalho foi realizado no laser de raios X europeu EuXFEL e no FLASH em Hamburgo. O HZB também opera uma fonte de raios X de pulso curto, que será expandida até o final deste ano especificamente para experimentos com alta resolução espectroscópica. O BESSY II também oferecerá condições ótimas para esse tipo de experimento. Berlim é um dos principais centros do mundo para pesquisa em efeitos magnéticos ultrarrápidos.