Material tem propriedades transformadas usando apenas luz

Eletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/08/2025

É pesquisa e tecnologia de ponta. Mas que parece mágica, parece - uma espécie de alquimia com luz.[Imagem: Gillian Kiliani]

Alquimia com luz

Não é novidade para ninguém a possibilidade de usar a luz para induzir comportamentos inusitados em materiais sólidos, sobretudo metais: Dos sensores fotoelétricos e células solares até os mais avançados usos de ondas de elétrons, conhecidas como plásmons de superfície, esse é um mecanismo extensamente pesquisado e utilizado.

Mas imagine agora que você possa usar a luz não apenas para induzir comportamentos, mas efetivamente para mudar as propriedades de um material para que ele se transforme quase magicamente em um material com propriedades diferentes.

Pois foi isso que Christoph Schonfeld e colegas da Universidade de Constança, na Alemanha, acabam de demonstrar.

Para transformar as propriedades de um material, você não precisará de uma varinha mágica nem de uma poção milagrosa. O processo todo ocorre apenas com a ajuda da luz, que excita os estados magnéticos do material. A luz induz vibrações magnéticas coletivas na rede atômica do material, o que permite, por exemplo, transmitir e armazenar informações a taxas que alcançam frequências na faixa dos terahertz (10¹² Hz).

A receita funciona à temperatura ambiente, sem qualquer geração significativa de calor. "Os efeitos não são causados pela excitação do laser. A causa é a luz, não a temperatura," disse o professor Davide Bossini, coordenador da equipe. "Podemos alterar as frequências e propriedades do material de forma não térmica."

As vantagens são óbvias: O método poderá ser usado para armazenamento de dados no futuro e para transmissão rápida de dados a taxas de terahertz, sem que os sistemas percam eficiência pela geração de calor. Também não são necessários materiais exóticos, como terras raras, já que o processo foi observado em cristais cultivados naturalmente, amplamente disponíveis.

Espectro magnético da hematita e conceito do experimento.[Imagem: Christoph Schonfeld et al. - 10.1126/sciadv.adv4207]

Transformação do material por luz

Já dissemos que não há mágica. Mas há um truque que poucos conhecem e menos ainda sabem explorar: Quasipartículas chamadas magnons, que é o nome que se dá ao movimento coletivo das ondas de spin. Partículas como os elétrons têm um momento magnético, chamado spin, e é possível usar a luz para fazer com que esses spins não apenas se modifiquem, mas também "ondulem" de modo coordenado sobre a superfície de um material - esses são os magnons, as ressonâncias magnéticas de maior frequência em um material.

O controle das características do material é obtido pela excitação óptica direta de pares de magnons - excitação óptica direta é um modo técnico de dizer que tudo é feito apenas disparando luz para energizar as quasipartículas.

"O resultado foi uma grande surpresa para nós. Nenhuma teoria jamais o previu," contou Bossini. E o processo não apenas funciona, como também tem efeitos espetaculares. Ao acionar pares de magnons de alta frequência por meio de pulsos de laser, a equipe conseguiu alterar as frequências e amplitudes de outros magnons - e, portanto, as propriedades magnéticas do material - tudo de forma inteiramente óptica, ou não-térmica.

"Cada sólido tem seu próprio conjunto de frequências: Transições eletrônicas, vibrações de rede, excitações magnéticas. Cada material ressoa à sua maneira," explicou Bossini. É justamente esse conjunto de frequências que pode ser influenciado pelo novo processo. "Ele muda a natureza do material, o 'DNA magnético do material', por assim dizer, sua 'impressão digital'. Ele praticamente se tornou um material diferente, com novas propriedades," acrescentou o pesquisador.

Dispersão dos magnons na hematita.[Imagem: Christoph Schonfeld et al. - 10.1126/sciadv.adv4207]

Magnônica

Outra surpresa é que a demonstração não exigiu materiais exóticos, mas sim cristais cultivados da humilde hematita, o mais conhecido dos minérios de ferro.

Assim, depois de ser usada como agulha de bússolas por séculos, a hematita está pronta para ser tornar mais uma estrela das pesquisas quânticas. Por exemplo, os resultados obtidos pela equipe sugerem que é possível produzir condensados de Bose-Einstein de magnons de alta energia induzidos por luz à temperatura ambiente. Isso abriria caminho para a pesquisa de efeitos quânticos sem a necessidade de temperaturas criogênicas.

Antes disso, porém, já podemos contar com a computação magnética, ou magnônica, porque os magnons permitem o transporte e o processamento eficiente de dados, com uma perda mínima de energia. Já existe até um protótipo de processador magnônico, que agora poderá ser fabricado de modo muito mais simples.

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