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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.

Pesquisadores da Universidade de Tohoku no Japão, foram bem sucedidos a produzir um íman FeNi de alta qualidade, A equipa, liderada pelo Professor Akihiro Makino, como investigador principal, são suportadas pela MEXT (Ministério da Educação, Cultura, Desporto, Ciência e Tecnologia, Japão).' 

Actualmente, imans de alta qualidade, que são usados em várias aplicações como automóveis, electrodomésticos, equipamento médico, etc, são feitos de elementos raros presentes na terra [Sm (samário), Nd (neodímio), Dy (disprósio), etc.]. Apesar do nascimento destes ímanes ser o Japão, os regulamentos actuais para importar elementos raros da terra, tornou todo este processo, demasiadamente político.

Actualmente está a tornar-se mais difícil, manter a superioridade industrial e competitividade na produção de tecnologias de poupança energética, para a próxima geração de mecanismos eléctricos. Assim, o desenvolvimento de tecnologias inovadoras para a produção de ímanes altamente funcionais, livres de elementos raros da terra, são da maior importância e de assunto urgente, não só no Japão, como por todo o mundo.

Tem sido bem conhecido nos anos 1960's, que pequenas quantidades de ímanes Fe-Ni, estão presentes em meteoritos naturais (num estado de equilíbrio extremo), produzidos no universo num extremamente lento período de arrefecimento de milhares de milhões de anos. E teria sido impossível de produzir artificialmente, num curto período, devido ao extremamente lento rácio de difusão à volta da temperatura de formação.

Mas agora, o grupo de pesquisa de Makino, foi bem sucedido na produção de um íman, usando alta difusibilidade atómica a baixas temperaturas, aquando da cristalização a partir de um estado amorfo. O efeito é como viajar numa máquina do tempo, isto é, a escala de tempo para a formação de um íman, é reduzido em milhares de milhões de anos para apenas um par de dias.