Os padrões repetidos em um floco de neve são um exemplo clássico de fractais geométricos bonitos. Agora, os cientistas do MIT descobriram padrões semelhantes a fractal nas configurações magnéticas de um material quântico pela primeira vez.
Imagem: Chelsea Turner, MIT
A lente de foco em raios X usada no experimento é baseada em um design usado em faróis por séculos.
Um fractal é qualquer padrão geométrico que ocorre repetidamente, em diferentes tamanhos e escalas, dentro do mesmo objeto. Essa "auto-similaridade" pode ser vista por toda a natureza, por exemplo, na beira de um floco de neve, em uma rede de rios, nas veias cortantes de uma samambaia e nos garfos crepitantes de um raio.
Agora, físicos do MIT e de outros lugares descobriram pela primeira vez padrões fractal em um material quântico - um material que exibe um comportamento eletrônico ou magnético estranho, como resultado de efeitos quânticos em escala atômica.
O material em causa é o óxido de neodímio níquel, ou NdNiO 3 , um niquelato de terra rara, que pode actuar, paradoxalmente, tanto como um condutor eléctrico e isolador, em função da sua temperatura. O material também é magnético, embora a orientação de seu magnetismo não seja uniforme em todo o material, mas assemelha-se a uma colcha de retalhos de "domínios". Cada domínio representa uma região do material com uma orientação magnética específica, e os domínios podem variar em tamanho e forma em todo o material.
Em seu estudo, os pesquisadores identificaram um padrão fractal na textura dos domínios magnéticos do material. Eles descobriram que a distribuição dos tamanhos dos domínios se assemelha a uma inclinação descendente, refletindo um número maior de domínios pequenos e um número menor de domínios grandes. Se os pesquisadores aumentassem o zoom de qualquer parte da distribuição total - digamos, uma fatia de domínios de médio porte -, eles observariam o mesmo padrão de inclinação descendente, com um número maior de domínios menores versus maiores.
Acontece que essa mesma distribuição aparece repetidamente em todo o material, independentemente da faixa de tamanho ou escala em que é observada - uma qualidade que a equipe reconheceu como fractal na natureza.
"No início, era difícil decifrar o padrão de domínio, mas depois de analisar as estatísticas da distribuição de domínios, percebemos que ele tinha um comportamento fractal", diz Riccardo Comin, professor assistente de física do MIT. "Foi completamente inesperado - foi um acaso".
Os cientistas estão explorando o óxido de neodímio e níquel para várias aplicações, inclusive como um possível componente para dispositivos neuromórficos - sistemas artificiais que imitam neurônios biológicos. Assim como um neurônio pode ser ativo e inativo, dependendo da tensão que recebe, o NdNiO 3 pode ser um condutor ou um isolador. Comin diz que o entendimento das texturas magnéticas e eletrônicas em nanoescala do material é essencial para entender e projetar outros materiais para escopos semelhantes.
Comin e seus colegas, incluindo o principal autor e estudante de graduação do MIT, Jiarui Li, publicaram seus resultados hoje na revista Nature Communications .
Faróis reorientados
Comin e Li não pretendiam encontrar fractais em um material quântico. Em vez disso, a equipe estudava o efeito da temperatura nos domínios magnéticos do material.
"O material não é magnético a todas as temperaturas", diz Comin. "Queríamos ver como esses domínios surgem e crescem quando a fase magnética é atingida após o resfriamento do material".
Para fazer isso, a equipe teve que criar uma maneira de medir os domínios magnéticos do material em nanoescala, uma vez que alguns domínios podem ter o tamanho de vários átomos de largura, enquanto outros abrangem dezenas de milhares de átomos.
Os pesquisadores costumam usar raios-X para sondar as propriedades magnéticas de um material. Aqui, raios-X de baixa energia, conhecidos como raios-X suaves, foram usados para detectar a ordem magnética do material e sua configuração. Comin e colegas realizaram esses estudos usando a Fonte de Luz Síncrotron Nacional II no Laboratório Nacional Brookhaven, onde um acelerador maciço de partículas em forma de anel lança elétrons aos bilhões. Os feixes luminosos de raios X macios produzidos por esta máquina são uma ferramenta para a caracterização mais avançada de materiais.
"Mas, ainda assim, esse raio X não é nanoscópico", diz Comin. "Então, adotamos uma solução especial que permite comprimir esse feixe em uma área muito pequena, para que possamos mapear, ponto a ponto, a disposição dos domínios magnéticos nesse material".
No final, os pesquisadores desenvolveram uma nova lente com foco em raios X, com base em um design usado em faróis há séculos. Sua nova sonda de raios-X é baseada na lente Fresnel, um tipo de lente composta, feita não a partir de uma única placa de vidro curvada, mas de muitos pedaços de vidro, dispostos para agir como uma lente curvada. Nos faróis, uma lente Fresnel pode se estender por vários metros, e é usada para focar luz difusa produzida por uma lâmpada brilhante em um feixe direcional que guia os navios no mar. A equipe de Comin fabricou uma lente semelhante, embora muito menor, da ordem de 150 mícrons de largura, para focar um feixe de raios X suave de várias centenas de mícrons de diâmetro, até cerca de 70 nanômetros de largura.
“ A beleza disso é que estamos usando conceitos de óptica geométrica que são conhecidos há séculos e que são aplicados em faróis, e estamos apenas diminuindo-os em um fator de cerca de 10.000”, diz Comin.
Texturas fractal
Usando sua lente especial para foco em raios-X, os pesquisadores, na fonte de luz síncrotron de Brookhaven, focalizaram os raios-X suaves em uma fina película de óxido de níquel-neodímio. Em seguida, eles examinaram o raio nanoscópico muito menor dos raios X através da amostra para mapear o tamanho, a forma e a orientação dos domínios magnéticos, ponto a ponto. Eles mapearam a amostra em diferentes temperaturas, confirmando que o material se tornou magnético ou formou domínios magnéticos, abaixo de uma certa temperatura crítica. Acima dessa temperatura, os domínios desapareceram e a ordem magnética foi efetivamente apagada.
Curiosamente, o grupo descobriu que, se eles resfriassem a amostra abaixo da temperatura crítica, os domínios magnéticos reapareciam quase no mesmo local de antes.
"Portanto, o sistema tem memória", diz Comin. “O material mantém uma memória de onde os bits magnéticos estariam. Isso também foi muito inesperado. Pensamos que veríamos uma distribuição de domínio completamente nova, mas observamos o mesmo padrão reemergindo, mesmo depois de aparentemente apagar esses bits magnéticos completamente. ”
Após mapear os domínios magnéticos do material e medir o tamanho de cada domínio, os pesquisadores contaram o número de domínios de um determinado tamanho e plotaram seu número em função do tamanho. A distribuição resultante se assemelhava a uma inclinação descendente - um padrão que eles encontravam repetidamente, não importando em que faixa de tamanho de domínio eles focassem.
"Observamos texturas de riqueza única, abrangendo várias escalas espaciais", diz Li. "O mais impressionante é que descobrimos que esses padrões magnéticos têm uma natureza fractal".
Comin diz que entender como os domínios magnéticos de um material se organizam em escala nanométrica e saber que eles exibem memória é útil, por exemplo, no projeto de neurônios artificiais e dispositivos de armazenamento de dados magnéticos resilientes.
"Semelhante aos discos magnéticos nos discos rígidos giratórios, pode-se imaginar o armazenamento de bits de informação nesses domínios magnéticos", diz Comin. "Se o material tiver algum tipo de memória, você poderá ter um sistema robusto contra perturbações externas; portanto, mesmo submetido ao calor, as informações não serão perdidas".
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e pela Sloan Research Fellowship.
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