Dois materiais "impossíveis" são 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 c?lulas solares e supercondutores - n?o ? fabricada de um material ?nico, mas de uma mescla de materiais.

Isto porque a maioria dos fen?menos mais interessantes n?o ocorre no meio de um material puro, mas na interface entre dois materiais - essas interfaces s?o o cora??o das famosas heterojun??es, as jun??es 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 tecnol?gico: um semimetal de Weyl e um gelo de spin.

De t?o ex?ticos, esses materiais s?o chamados de "materiais imposs?veis" porque suas propriedades s?o t?o inusitadas - e ?nicas at? agora - que desafiam a compreens?o convencional da f?sica qu?ntica.

Um semimetal de Weyl ? um material qu?ntico descoberto recentemente que possui propriedades topol?gicas, 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 informa??es e at? para um tipo ainda inexplorado de computa??o qu?ntica.

O gelo de spin ? um material artificial formado por uma malha de nano?m?s organizados em um padr?o geom?trico espec?fico - uma rede dipolar - que os faz interagirem uns com os outros. Ele tamb?m ? topol?gico e vem sendo usado principalmente em experimentos cient?ficos, como o que rendeu o Nobel de F?sica de 2021, mas tamb?m j? se sabe que ele pode dar origem a um motor magn?tico sem partes m?veis.

D? para imaginar ent?o o que poder? ser poss?vel fazer agora que os dois materiais foram unidos, gerando uma interface para l? de interessante.

Sandu?che qu?ntico

Assim como os dois materiais individualmente j? foram considerados imposs?veis, fazer uma heterojun??o dos dois era igualmente considerada impratic?vel. Mas, fazendo um imposs?vel de cada vez, a equipe sintetizou uma estrutura ex?tica que dever? ter ainda mais aplica??es do que as partes individualmente.

Foram quatro anos de experimenta??o cont?nua para projetar e construir um sandu?che ?nico e min?sculo, composto de v?rias camadas at?micas.

Uma fatia da estrutura microsc?pica ? feita de titanato de dispr?sio (Dy₂Ti₂O₇), um composto inorg?nico usado em reatores nucleares para capturar materiais radioativos e conter part?culas monopolares magn?ticas elusivas. A outra fatia ? composta de iridato de pirocloro (Eu₂Ir₂O₇), um novo semimetal magn?tico usado principalmente na pesquisa experimental devido ?s suas propriedades eletr?nicas, topol?gicas e magn?ticas ?nicas.

A constru??o dessa estrutura ex?tica em sandu?che cria uma nova plataforma experimental no campo das interfaces, a ?rea onde os materiais se encontram, na escala at?mica - o que os f?sicos chamam de materiais qu?nticos.

"Este trabalho fornece uma nova maneira de projetar materiais qu?nticos bidimensionais artificiais inteiramente novos, com o potencial de impulsionar as tecnologias qu?nticas e fornecer uma vis?o mais profunda de suas propriedades fundamentais de maneiras que antes eram imposs?veis," disse o professor Jak Chakhalian.

Materiais imposs?veis

O titanato de dispr?sio ? um gelo de spin, no qual pequenos ?m?s - os spins - s?o dispostos de uma forma que se parece exatamente com o padr?o do gelo de ?gua. A estrutura ?nica dos pequenos ?m?s no gelo de spin permite que eles funcionem como part?culas especiais, chamadas monopolos magn?ticos. Esses ?m?s sem polos, previstos em 1931 por Paul Dirac, n?o existem em forma livre no Universo e, ainda assim, dentro do gelo de spin eles emergem como resultado das intera??es mec?nicas qu?nticas entre as part?culas constituintes.

O iridato de pirocloro semimet?lico tamb?m ? considerado ex?tico porque cont?m pequenas part?culas relativ?sticas chamadas f?rmions de Weyl. Previstos por Hermann Weyl em 1929, essas part?culas ex?ticas 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 eletr?nicas s?o muito fortes e resistem a certos tipos de perturba??es ou impurezas - esta ? uma das principais caracter?sticas dos materiais topol?gicos -, tornando-as muito est?veis quando operadas como parte de dispositivos eletr?nicos, por exemplo, como qubits imunes a ru?dos. Como resultado, o iridato de pirocloro pode conduzir eletricidade muito bem, responder de maneiras incomuns a campos magn?ticos e mostrar efeitos especiais quando exposto a campos eletromagn?ticos.

As propriedades combinadas do novo material agora criado o tornam um candidato promissor para uso em tecnologias avan?adas, incluindo a computa??o qu?ntica e, especialmente, para sensores qu?nticos de pr?xima gera??o. "Este estudo ? um grande passo ? frente na s?ntese de materiais e pode impactar significativamente a maneira como criamos sensores qu?nticos e avan?amos os componentes spintr?nicos," disse Chakhalian.

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