Titânio e ouro não são magnéticos – a não ser que você os combine assim.

Os cientistas da Universidade de Rice fizeram-no e descobriram o que é um primeiro do seu género: um metal antiferromagnético itinerante-TiAu feito a partir de elementos não magnéticos constituintes.

Embora os usos para este íman em particular ainda não tenham sido determinados, a descoberta poderia melhorar a compreensão científica do magnetismo.

Um trabalho de acesso aberto sobre a pesquisa aparece na Nature Communications.

Muitas temperaturas frias

Este não é o tipo de ímã que se colaria a um refrigerador. A ordem magnética só aparece em TiAu quando o metal é resfriado a 36 kelvins, cerca de 395 graus negativos.

“Magnetização é uma função da temperatura”, diz o autor principal Eteri Svanidze. “A temperatura de ordenação do ímã aparece como uma anomalia na curva suave que vemos em tais medições de magnetização”

Para ímãs comuns, essa temperatura é geralmente centenas de graus Fahrenheit, muito mais quente do que qualquer cozinha. Mas a escala de energia e temperatura em ímãs não convencionais, como os poucos que não possuem elementos magnéticos, são drasticamente reduzidos.

Svanidze diz que os ímãs irão melhorar os estudos de outras físicas importantes, como transições de fase (como em sólido para líquido ou líquido para gás) que ocorrem em zero absoluto, chamadas transições de fase quântica.

50 anos depois

TiAu é apenas o terceiro conhecido metal magnético itinerante feito sem elementos magnéticos. Os outros dois, ambos ferromagnetos que ativam sua ordem magnética a temperaturas ainda mais frias que o TiAu, foram descobertos há meio século. Parte da razão para a longa lacuna é que o TiAu é um desafio para fazer.

“Quando começamos a procurar, descobrimos porque passaram 50 anos sem nenhuma descoberta adicional”, diz a física do arroz Emilia Morosan. “A maioria dos outros candidatos possíveis eram problemáticos de uma forma ou de outra”. Eles eram difíceis de fazer, quimicamente instáveis, tóxicos ou exigiam uma temperatura alta que não era acessível no laboratório”, acrescenta Svanidze, que trabalhou no projeto por seis anos como estudante de pós-graduação em arroz.

Mas cálculos de estrutura eletrônica mostraram uma mistura de 1 para 1 de titânio e ouro pode ter as propriedades que eles estavam procurando.

“Este não é um material novo”, diz Svanidze. “O que encontramos são as suas propriedades magnéticas, e é aí que entra a interessante física”.

Máximos magnéticos

Materiais geralmente se tornam magnéticos quando expostos a um campo que traz os momentos magnéticos de seus átomos para o alinhamento. Pense em cada átomo ou íon como um pequeno ímã autônomo que pode se alinhar com os íons magnéticos vizinhos, como a agulha de uma bússola.

O momento magnético de um material pode ser local (ligado a um átomo específico) ou itinerante (não ligado a um único átomo). Os itinerantes itinerantes podem estender sua influência sobre mais de um átomo, facilitando a comunicação entre seus estados de rotação “para cima” ou “para baixo”. Eles também permitem coisas úteis como condutividade elétrica em metais.

Momentos atômicos em ferromagnetos locais – ou seja, materiais magnéticos comuns – alinham todos os seus giros na mesma direção. Num antiferromagnético, os momentos atómicos alinham-se em direcções opostas.

Morosan diz que é importante conhecer estes extremos no comportamento magnético.

“Teoricamente entendemos muito bem o magnetismo local-momento, e temos alguma compreensão do momento itinerante, mas a maioria dos sistemas verdadeiros vivem mesmo no meio”, diz ela. “Temos de compreender os extremos para perceber a física do que se passa no meio”, diz Jiakui Wang, outro estudante de pós-graduação do laboratório Morosan e co-autor do trabalho. “Esta é a primeira vez que tal material antiferromagnético é descoberto, por isso é fundamentalmente significativo”. Ele torna nossa compreensão do magnetismo mais profunda”

Morosan diz que as descobertas científicas básicas muitas vezes precisam de tempo para desovar aplicações.

“Minha esperança é que possamos eventualmente encontrar o suficiente desses sistemas para compreendê-los melhor”. Então saberemos com o que estamos lidando para que possamos fazer compostos com as propriedades exatas que queremos”.

Outros pesquisadores que colaboraram no projeto são do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético da Universidade Estadual da Flórida, da Universidade de Columbia, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e do Laboratório Nacional de Brookhaven.

A Fundação Nacional de Ciência, o Escritório da Força Aérea de Pesquisa Científica Iniciativa Multidisciplinar de Pesquisa Universitária, a Fundação Welch, o Departamento de Energia, a Universidade Estadual da Flórida, a Agência de Energia Atômica do Japão e a Amigos da Todai Inc. A Fundação apoiou o trabalho.