Uma descoberta inesperada para a nanotecnologia

André Neves Ribeiro
10/07/2017

Representação esquemática de um átomo depositado sobre uma superfície. [1]
A manipulação de átomos (individuais ou em clusters) depositados sobre superfícies de materiais (filmes finos, por exemplo) é uma questão central na nanotecnologia. Do ponto de vista teórico, o desafio é descrever corretamente a interação do átomo (ou cluster) com a superfície (que funciona como um reservatório de elétrons e fônons ou fonte de um campo anisotrópico magnético) e então explicar as propriedades físicas. Do ponto de vista experimental, as dificuldades ocorrem tanto na colocação do átomo em um lugar preciso na superfície do substrato, quanto na manipulação dos graus de liberdade do átomo usando campos externos controlados por equipamentos macroscópicos (usando microscópio de tunelamento com varredura, por exemplo).

Para a manipulação atômica, dois importantes marcos ocorreram em 2012: 1- a fabricação de um bit usando apenas 12 átomos de Fe depositados sobre uma superfície de Cu2N (o bit foi associado aos estados antiferromagnéticos de Néel) [2]; 2- um transistor de um único átomo, fabricado depositando deterministicamente um átomo de fósforo sobre um cristal de silício [3].

Em se tratando de armazenamento de dados, embora utilizar o ordenamento coletivo dos spins de 12 átomos de Fe para codificar o bit tenha sido um feito histórico, o limite máximo (a priori) é associar o bit ao spin de um único átomo. Isso não é tarefa fácil! A primeira questão (que já vem sendo analisada por cientistas da área) é pesquisar quais átomos individuais, e sobre quais substratos, apresentam momento magnético. Nesse sentido, uma descoberta extraordinária foi publicada na última sexta-feira (07/07/2017), na revista americana Physical Review Letters. Pesquisadores da Alemanha mostraram que mesmo átomos individuais (sobre substratos) não magnéticos podem exibir flutuações magnéticas – chamadas de excitações de spin paramagnéticas [4]. Os metais de transição Rh, Ni, Ir e Sc depositados (individualmente) sobre o substrato metálico Ag(111) foram alguns dos sistemas que apresentaram essas excitações.

A partir de uma análise teórica usando a Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo, eles foram hábeis para mostrar que o mecanismo responsável pelas excitações é análogo ao do magnetismo de Stoner. Ou seja, depende da repulsão de Coulomb entre elétrons ocupando o mesmo orbital atômico (U) e da densidade de estados no nível de Fermi [ρ(EF)] do átomo sobre o substrato. As excitações adquirem uma estrutura de pico bem definida na região de energia do meV (obtidas experimentalmente) para sistemas (átomo + substrato) em que U·ρ(EF) ~ 1. A análise revelou ainda uma forte dependência das excitações com campos magnéticos aplicados externamente, exibindo o análogo atômico de uma transição de fase quântica à medida que o campo se aproxima do valor crítico. Como destacado pelos próprios pesquisadores, esta característica notável abre inesperados potenciais de aplicações de átomos não magnéticos em nanotecnologia [4].

[1] Crédito da imagem: Runningamok19 (Wikimedia Commons) / Creative Commons (CC BY 3.0). URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atomic_exchange_diffusion_2.gif.

[2] S Loth et al. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science 335, 196 (2012).

[3] M Fuechsle et al. A single-atom transistor. Nature Nanotechnology 7, 242 (2012).

[4] J Ibañez-Azpiroz et al. Tuning Paramagnetic Spin Excitations of Single Adatoms. Physical Review Letters 119, 017203 (2017).

Como citar este artigo: André Neves Ribeiro. Uma descoberta inesperada para a nanotecnologia. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2017/07/uma-descoberta-inesperada-para-a-nanotecnologia/. Publicado em 10 de julho (2017).

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André Neves Ribeiro

Doutor em Física. Professor do Instituto Federal de Sergipe. Escreve sobre Spintrônica no Saense.

2 thoughts on “Uma descoberta inesperada para a nanotecnologia”

  1. Parabéns pela divulgação dessa notícia…
    Estamos trabalhando com nano estruturas em forma de filmes finos…quem sabe se a gente não consegue algo semelhante????

  2. Muito obrigado, Marcelo, por seu comentário.
    Realmente será fantástico se o grupo de Sergipe (DFI-UFS) conseguir obter resultados similares aos reportados pelos pessoal da Alemanha. O domínio para a construção de um sistema que apresenta o análogo atômico de uma transição de fase quântica vai proporcionar um playground de Física para vocês.
    Bom trabalho!!!

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