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Um grupo de investigadores do Japão e da China identificou os requisitos para o desenvolvimento de novos tipos de equipamentos eléctricos de consumo extremamente baixo, estudando pequenas películas Cr-doped (Sb, Bi) 2Te3. Este estudo foi publicado na Nature Communications.

A temperaturas extremamente baixas, uma corrente eléctrica flui à volta da borda de uma película sem perda de energia e sem qualquer campo magnético externo. Este curioso fenómeno é devido às propriedades ferromagnéticas do material; no entanto, até agora, não tem sido claro sobre como o material ganha estas propriedades.

Pela primeira vez, investigadores revelaram o mecanismo através do qual isto ocorre. 'Esperançosamente, esta realização irá levar à realização de novos materiais que possam operar à temperatura ambiente, no futuro,' diz Akio Kimura, professor da Universidade de Hiroxima e membro do grupo de pesquisa.

As suas metas podem ser seguidas até às suas origens na descoberta do efeito Hall quântico nos anos 80, onde uma corrente eléctrica corre ao longo de uma orla (ou interface) sem perda de energia. No entanto, isto requer tanto um campo magnético externo largo, como igualmente extremamente baixas temperaturas.

Daí que até agora não tenham sido possíveis aplicações práticas. Pesquisadores acreditam que este problema pode ser ultrapassado com novos materiais denominados isoladores topológicos que têm propriedades ferromagnéticas, tais como as encontradas em Cr-doped (Sb, Bi)2Te3.

Um isolador topológico, previsto em 2005 e observado em 2007, não é nem um metal nem um isolador, e tem propriedades exóticas. Por exemplo, uma corrente eléctrica é gerada somente à superfície ou na orla dos materiais, enquanto a corrente eléctrica é gerada dentro dela.

Parece que somente a superfície ou orla dos materiais tem propriedades metálicas, enquanto o interior é um isolador.

A temperaturas extremamente baixas, uma pequena película de Cr-doped (Sb, Bi)2Te3 mostra um fenómeno peculiar. Como a película é ela própria ferromagnética, uma corrente eléctrica é gerada espontaneamente sem um campo magnético exterior e a corrente eléctrica flui só à volta da orla da película sem perda de energia. No entanto, era previamente desconhecido sobre como Cr-doped (Sb, Bi)2Te3 tinha tais propriedades ferromagnéticas que a permitiam gerar corrente eléctrica. 'Essa é a razão pela qual nós seleccionámos o material como objecto do nosso estudo,' diz o Professora Kimura.

Porque Cr é um elemento magnético, um átomo Cr é equivalente a um íman de tamanho atómico. A orientação Norte-Sul de tais imanes de tamanho atómico tendem a alinhar em paralelo com interacções entre os átomo Cr.

Quando a orientação Norte-Sul dos átomos Cr no Cr-doped (Sb,Bi)Te3 estão alinhados em paralelo, os materiais exibem ferromagnetismo. No entanto, as distâncias interatómicas entre os átomos Cr no material são, de facto, demasiado longas para interagir suficientemente para criar o material ferromagnético.

O grupo descobriu que os elementos atómicos não magnéticos, tais como os átomos Sb e Te, mediam a interacção magnética entre os átomos Cr e Te, servem de cola no arranjo da orientação Norte-Sul dos átomos Cr que têm uma direcção. Para mais, o grupo espera que as suas descobertas possam encontrar um caminho no aumento das temperaturas, de modo a haver aplicações relevantes em aparelhos electrónicos.

As experiências para esta pesquisa foram feitas principalmente em SPring-8. ' Nós não teríamos atingido resultados perfeitos sem as instalações e o pessoal daqui. Eles devotaram o seu tempo a detectar o extremamente subtil magnetismo que os átomos de elementos não magnéticos exibem com extrema alta precisão . Eu aprecio grandemente os seus esforços,' disse kimura.