Monopólos magnéticos aparecem na hematita – Physics World

Físicos das universidades de Oxford e Cambridge, no Reino Unido, detectaram assinaturas de monopolos magnéticos e outras estruturas magnéticas incomuns na hematita, um material de óxido de ferro antiferromagnético que ocorre naturalmente. As estruturas, que os pesquisadores descobriram usando medições de detecção quântica, poderiam formar a base para novos dispositivos, como memórias de pista de corrida e computação neuromórfica super-rápida e com baixo consumo de energia.

Uma barra magnética comum consiste em um pólo norte e um pólo sul. Corte-o em dois e cada uma das metades resultantes – por menor que seja – também terá dois pólos. Na verdade, a natureza bipolar do magnetismo é tão fundamental que surge nas equações de Maxwell, que implicam que, embora existam cargas eléctricas positivas e negativas isoladas, as cargas magnéticas isoladas não podem existir.

Durante a revolução quântica das décadas de 1920 e 1930, alguns físicos começaram a especular que este princípio do eletromagnetismo clássico poderia precisar de revisão. Em 1931, Paul Dirac tornou-se o primeiro a prever que poderiam existir monopolos magnéticos – partículas elementares que actuam como pólos norte e sul magnéticos isolados e são os análogos magnéticos das cargas eléctricas. Embora os monopolos magnéticos do tipo que Dirac imaginou nunca tenham sido vistos como partículas livres, descobriu-se desde então que materiais exóticos conhecidos como spin ices hospedam estados coletivos que os imitam.

Padrões giratórios de cargas magnéticas

Uma equipe de pesquisadores liderada por Mete Atature, a cabeça do Laboratório Cavendish de Cambridge, observou agora um tipo “emergente” semelhante de monopolo magnético na hematita. Esses monopolos são estados coletivos de muitos spins giratórios (momentos angulares inerentes aos elétrons) que, juntos, agem como uma partícula estável localizada com um campo magnético emanando dela. “Esses ‘redemoinhos antiferromagnéticos’ (chamados merons, antímeros e bimerons) na hematita estão associados a ‘monopolos magnéticos emergentes'”, explica o co-líder da equipe. Paulo Radaelli, um físico em Oxford. “Esses redemoinhos revelam sua localização e podemos estudar seu comportamento com magnetometria quântica de diamante e outras técnicas de varredura.”

Na magnetometria quântica de diamante, um único giro em uma pequena agulha feita de diamante é usado para medir de forma precisa e não invasiva o campo magnético na superfície de um material. “A magnetometria quântica pode detectar campos magnéticos muito pequenos”, explica Atatüre. “Portanto, é ideal para mapear a ordem magnética em antiferromagnetos, uma classe especial de materiais magnéticos em que a magnetização local quase se anula.”

Uma nova abordagem compensa

Os pesquisadores, que relatam seu trabalho em Nature Materials, identificou várias estruturas magnéticas incomuns em hematita usando esta técnica, incluindo monopolos, dipolos e quadrupolos bidimensionais. Esta é a primeira vez que um monopolo bidimensional foi observado num íman natural, dizem eles. Radaelli acrescenta que a equipe não esperava ver muito porque as texturas de spin antiferromagnético eram consideradas evasivas e apenas observável usando técnicas complexas de raios X.

“Enviamos nossas amostras para Mete e colegas em Cambridge sem saber exatamente o que esperar”, diz ele. “Lembro-me de discutir isso e pensar que não veríamos nada. Quando as imagens de Cambridge começaram a chegar, debatemos diferentes interpretações até que simulações quantitativas revelaram a origem microscópica do sinal.”

Foi só nesse momento que a equipe entendeu a natureza monopolar da estrutura magnética observada e fez a ligação com exemplos de monopolos na literatura científica, conta ele. Mundo da física.

Leitura e classificação

Quanto às inscrições, membro da equipe Hariom Jani, pós-doutorado em Oxford e primeiro autor do estudo, sugere que os monopólios recentemente observados poderiam servir como indicadores para outros efeitos incomuns. “A interconexão entre as cargas magnéticas, que são as fontes/sumidouros de campos minúsculos, e o sentido sinuoso dos redemoinhos antiferromagnéticos é bastante útil porque abre um caminho fácil para ler e classificar estados antiferromagnéticos exóticos”, diz ele.

Monopólos magnéticos encontrados à espreita em cristais quirais topológicos

Seu colega de Cambridge, estudante de doutorado Anthony Tan, concorda. “Nosso trabalho destaca o potencial da magnetometria quântica de diamante para descobrir e investigar fenômenos magnéticos ocultos em materiais quânticos, o que poderia ajudar a abrir novos campos de estudo nesta área”, diz ele.

O objetivo final da equipe, diz Radaelli, é construir dispositivos do mundo real para a computação de próxima geração que façam uso desses redemoinhos antiferromagnéticos. “Estamos trabalhando em paralelo em dois conceitos distintos: um baseado na emulação de neurônios biológicos; e a outra nas chamadas pistas de corrida, ou seja, ‘rodovias’ nanoscópicas para os redemoinhos”, afirma. A construção de tais dispositivos exigirá que contatos elétricos, condutores e transdutores sejam fabricados em nanoescala, acrescenta: “Prevemos que as técnicas de varredura com múltiplas sondas, como a magnetometria quântica de diamante, nos permitirão acelerar esse trabalho”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/