Luz faz magnetita alterar rapidamente de condutor para isolante

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 27/06/2024

Matria alterada pela luz

Pesquisadores suos descobriram que, disparando diferentes cores de luz sobre o bem conhecido mineral magnetita, possvel mudar seu estado, por exemplo tornando-o mais ou menos condutor de eletricidade.

Esta descoberta abre caminho paa a criao de novos materiais para a eletrnica, como armazenamento de memria, sensores e outros componentes que dependem de respostas materiais rpidas e eficientes.

A magnetita (Fe₃O₄) um material bem estudado, conhecido por uma interessante transio de condutor para isolante em baixas temperaturas – desde ser capaz de conduzir eletricidade at bloque-la ativamente. Esse fenmeno conhecido como transio de Verwey e altera significativamente as propriedades eletrnicas e estruturais da magnetita.

Uma transio de fase uma mudana no estado de um material devido a mudanas de temperatura, presso ou outras condies externas. Um exemplo cotidiano o da gua, que passa de gelo slido para lquido e de lquido para gasoso conforme a temperatura sobe. Na magnetita, no o calor que induz a mudana, mas a luz, em um nvel imensamente menor de energia.

“Algum tempo atrs, mostramos que possvel induzir uma transio de fase inversa na magnetita,” contou Fabrizio Carbone, da Escola Politcnica Federal de Lausanne (EPFL). ” como se voc pegasse gua e pudesse transform-la em gelo colocando energia nela com um laser. Isso contra-intuitivo, pois normalmente, para congelar a gua, voc a resfria, ou seja, remove a energia dela.”

Fases ocultas da matria

Ao tentar elucidar e controlar as propriedades estruturais microscpicas da magnetita durante essas transies de fase induzidas pela luz, a equipe descobriu agora que, usando comprimentos de onda de luz especficos (cores precisas) para fotoexcitao, a magnetita pode ser levada a assumir estados metaestveis fora do equilbrio, chamados de “fases ocultas”, revelando assim um novo protocolo para manipular as propriedades de um material em escalas de tempo ultrarrpidas.

Um estado de equilbrio basicamente um estado estvel onde as propriedades de um material no mudam ao longo do tempo porque as foras dentro dele esto equilibradas. Quando esse equilbrio se quebra, diz-se que o material entrou em um estado de no-equilbrio, apresentando propriedades que podem ir do extico ao imprevisvel. Um estado metaestvel, por sua vez, significa que o estado pode mudar sob certas condies.

As transies de fase geralmente seguem caminhos previsveis sob condies de equilbrio. Mas, quando os materiais saem do equilbrio, eles podem comear a mostrar as tais “fases ocultas”, estados intermedirios que normalmente no so acessveis. A observao de fases ocultas requer tcnicas avanadas que sejam capazes de capturar mudanas rpidas e mnimas na estrutura cristalina do material. Ento, s registrar as condies precisas que geraram essa mudana, para que ela possa ser explorada de maneira controlada.

Foi isto que a equipe conseguiu fazer agora, observando a complexa interao da estrutura cristalina, carga e ordens orbitais da magnetita quando ela sofre uma transio metal-isolante induzida apenas pela luz.

Controle da matria

Os experimentos usaram dois comprimentos de onda diferentes de luz: Infravermelho prximo (800 nm) e luz visvel (400 nm). Quando excitada com pulsos de luz de 800 nm, a estrutura da magnetita foi perturbada, criando uma mistura de regies metlicas e isolantes. Em contraste, os pulsos de luz de 400 nm tornaram a magnetita um isolante mais estvel.

A luz de 800 induziu uma rpida compresso da rede monoclnica (cada clula tem o formato de uma caixa torta) da magnetita, transformando-a em uma estrutura cbica. Isso ocorre em trs estgios ao longo de 50 picossegundos, indicando que existem interaes dinmicas complexas acontecendo dentro do material. Por outro lado, a luz visvel de 400 nm fez com que a rede se expandisse, reforando a rede monoclnica e criando uma fase mais ordenada – um isolante estvel.

“Nosso estudo abre caminho para uma nova abordagem para controlar a matria em escala de tempo ultrarrpida usando pulsos de ftons personalizados,” escreveram os pesquisadores. Ser capaz de induzir e controlar fases ocultas na magnetita pode ter implicaes significativas para o desenvolvimento de materiais e dispositivos avanados. Por exemplo, materiais que podem alternar entre diferentes estados eletrnicos de forma rpida e eficiente poderiam ser usados em dispositivos de computao e memria de prxima gerao.

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