22 outubro 2010

Um sonho prestes a se realizar

Há décadas os cientistas buscam materiais que apresentem o chamado efeito magnetoelétrico gigante, que tornaria possível produzir memórias mais eficazes. Carlos Alberto dos Santos apresenta uma descoberta que torna essa perspectiva mais palpável.

O domínio tecnológico do eletromagnetismo permitiu à humanidade fabricar artefatos como o eletromagneto da foto acima, que é um componente da fonte de prótons do Tevatron, acelerador de partículas do Fermilab, nos Estados Unidos (foto: Fermilab).

Até a segunda década do século 19, eletricidade e magnetismo eram tratados como duas áreas completamente independentes. Em 1820, o dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) descobriu que uma corrente elétrica era capaz de provocar a deflexão da agulha de uma bússola. Foi a primeira observação da conexão entre eletricidade e magnetismo e, por isso, é considerada desde então a origem do eletromagnetismo.

Um pouco mais de dez anos depois, o inglês Michael Faraday (1791-1867) descobriu o fenômeno inverso, ou seja, a capacidade de um campo magnético gerar uma corrente elétrica. Apesar dessa conexão, os materiais continuavam exibindo propriedades magnéticas e elétricas separadamente sem conexão aparente.

As propriedades ferromagnéticas de alguns materiais eram muito similares às propriedades ferroelétricas de outros, mas, até os anos 1960 não se tinha conhecimento de um material que exibisse ambas, embora sua existência tivesse sido prevista pelo francês Pierre Curie (1859-1906) em 1894.

Até os anos 1960 não se conheciam materiais que exibissem propriedades ferromagnéticas e ferroelétricas

Quando foram descobertos, esses materiais passaram a ser denominados multiferroicos, por apresentar simultaneamente ferroeletricidade e ferromagnetismo.

Mais interessante que a existência desses materiais foi a descoberta de que o dipolo magnético (uma espécie de agulha magnética microscópica) pode ser manipulado pelo dipolo elétrico (resultante da separação de cargas elétricas de sinais contrários) e vice-versa (leia esta coluna para saber mais sobre dipolo magnético e elétrico).

Esse fenômeno pelo qual um dipolo manipula o outro é tecnicamente conhecido como acoplamento magnetoelétrico.

Um evento raro

Mas por que foram necessários mais de 130 anos desde os experimentos de Faraday para a descoberta desses materiais? Em primeiro lugar, porque poucos materiais apresentam a coexistência de ferromagnetismo e ferroeletricidade.

Essa escassez tem a ver com o fato de que alguns átomos essenciais para o surgimento de magnetismo nos materiais (ferro, cobalto, níquel, entre outros) reduzem a tendência do deslocamento dos íons, que é justamente o fenômeno que provoca o aparecimento da ferroeletricidade.

No geral há uma competição entre ferromagnetismo e ferroelectricidade, de modo a dificultar a existência de materiais que apresentem ambas as propriedades. Aparentemente, elas só aparecem juntas em materiais cuja estrutura magnética é muito complexa. Por exemplo, em materiais nos quais os dipolos magnéticos, em vez de se alinharem na mesma direção, alinham-se mudando a direção, de um ponto para o seguinte, seguindo um desenho muito parecido com a superfície de um cone.

As duas propriedades só aparecem juntas em materiais cuja estrutura magnética é muito complexa

Além de complexos – ou até por causa disso –, esses materiais são muito difíceis de serem produzidos em adequado estado de pureza. Não fosse por isso, seu uso na indústria de memórias eletrônicas já teria passado do sonho para a realidade.

Imagine um material que tivesse estados binários elétricos e magnéticos. Em ambos os casos, os bits “0” e “1” seriam representados pelos respectivos dipolos com polaridades invertidas. Do ponto de vista tecnológico essa seria uma situação muito atrativa, pois permitiria a gravação elétrica de dados e a leitura magnética, explorando assim as melhores características das memórias ferroelétricas (FeRAM, na sigla em inglês) e das memórias magnéticas.

Corrida tecnológica

A primeira dificuldade para a realização do sonho tecnológico tinha a ver com o fato de que, nos primeiros multiferroicos descobertos, o acoplamento magnetoelétrico só era exibido em temperaturas muito abaixo da temperatura ambiente, 30oC, algo em torno de -220oC.

No entanto, diversas razões, entre as quais o desenvolvimento de novos métodos de preparação desses materiais, resultaram neste século em uma verdadeira corrida em busca de materiais multiferroicos apropriados a diferentes produtos tecnológicos, entre os quais transdutores e sensores magnéticos, mas principalmente para a indústria de armazenamento de dados.

Ferritas
Há mais de meio século, a corrida tecnológica era em busca de materiais ferromagnéticos para a indústria eletrônica que nascia. Naquele momento, os óxidos de ferro (ou ferritas) como os da foto foram a solução. E agora? Que material preencherá a busca pelo efeito magnetoelétrico gigante? (foto: Omegatron / CC 3.0 BY-sA)

Essa corrida não só lembra aquela de mais de 50 anos atrás, quando se buscavam materiais ferromagnéticos para a nascente indústria eletrônica, como tem pontos de contato com aquela história.

Naquela época, a solução veio com óxidos de ferro, as famosas ferritas, entre as quais a magnetita, Fe3O4, também conhecida como espinélio.

Diferentes ferritas foram produzidas, destacando-se aquelas com estrutura cristalográfica hexagonal, daí sua denominação hexaferrita. Por volta de 2005, Tsuyosh Kimura, da Universidade de Osaka, descobriu que algumas dessas hexaferritas apresentavam acoplamento magnetoelétrico em temperatura ambiente.

Isso já foi um grande avanço, mas nada comparável com o que veio em seguida. Ele descobriu, em outras hexaferritas, que a polarização elétrica era induzida por um campo magnético muito pequeno, tão pequeno que a polarização elétrica parecia um gigante. Foi assim que nasceu o efeito magnetoelétrico gigante.

Em edição recente da Nature Materials, Kimura e colaboradores apresentam uma nova hexaferrita – Sr3Co2Fe24O41 – com efeito magnetoelétrico gigante em condições realmente interessantes. O campo magnético é da ordem de 10 miliTesla, cem vezes menor do que os campos usados nas outras hexaferritas, e os experimentos de controle do dipolo elétrico por meio da variação do campo magnético apresentaram uma estabilidade impressionante.

E não custa lembrar que esses experimentos são aqueles que demonstram a possibilidade de esse material ser usado como memória.

Parece que agora o sonho de uma memória magnetoelétrica está a caminho: aguardemos os desdobramentos dessa descoberta, no laboratório e na fábrica.

Carlos Alberto dos Santos
Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação
Universidade Federal da Integração Latino-americana (Unila)

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