A luz aprisionada dentro de um cristal magnético aumenta fortemente suas interações magneto-ópticas, o que tem larga aplicação tecnológica.
[Imagem: Rezlind Bushati]

Aprisionar a luz

Aprisionar a luz no interior de um material magnético melhora dramaticamente as propriedades desse material, o que deverá ter um impacto significativo em áreas que vão do armazenamento de dados à criação de lasers magnéticos.

Ao longo da última década, as chamadas armadilhas de luz têm revelado um quase-universo de possibilidades, entre as quais memórias ópticas, processadores fotônicos e lentes perfeitas, além de experimentos exóticos, como uma sopa de luz e matéria e a entropia no mundo quântico.

Florian Dirnberger e colegas da Universidade Cidade de Nova York demonstraram agora todo o potencial de usar um material magnético como armadilha para a luz.

Dirnberger afirma que fortes respostas ópticas dos ímãs são importantes para o desenvolvimento de lasers magnéticos e dispositivos de memória magneto-óptica, bem como para aplicações emergentes de transdução quântica.

"Normalmente, a luz não responde tão fortemente ao magnetismo. É por isso que as aplicações tecnológicas baseadas em efeitos magneto-ópticos geralmente exigem a implementação de esquemas de detecção óptica sensíveis," reforçou o professor Vinod Menon.

O material é um brometo de sulfeto de cromo, um semicondutor magnético em camadas monoatômicas.
[Imagem: Cortesia ACS/Kihong Lee et al. - 10.1021/acs.nanolett.1c00219]

Interação entre luz e magnetismo

A equipe trabalhou com um semicondutor 2D, um material magnético formado por camadas monoatômicas de cromo, enxofre e bromo (CrSBr).

Esse material é interessante porque sua estrutura em camadas aprisiona os fótons por si só, sem a necessidade da construção de nenhuma estrutura especial. E, entre suas camadas, formam-se éxcitons, quasipartículas formadas por elétrons emparelhados com suas lacunas associadas - lembre-se que um elétron representa uma carga negativa, enquanto a ausência do elétron, ou lacuna, representa uma carga positiva.

Como os éxcitons apresentam interações particularmente fortes com os fótons, quando estes ficam aprisionados no CrSBr o resultado é uma resposta óptica que é várias ordens de magnitude mais forte do que nos ímãs comuns.

"Como a luz salta para frente e para trás dentro do ímã, as interações são genuinamente reforçadas," disse Dirnberger. "Para dar um exemplo, quando aplicamos um campo magnético externo, o reflexo da luz no infravermelho próximo é tão alterado que o material basicamente muda de cor. Essa é uma resposta magneto-óptica bastante forte."

O controle do magnetismo pela luz - em vez de por eletricidade - pode gerar tecnologias mais rápidas e com menor consumo de energia.
[Imagem: Dirnberger et al. - 10.1038/s41586-023-06275-2]

Memórias controladas por luz

A descoberta é importante porque o magnetismo está presente nas mais diversas aplicações tecnológicas, dos motores aos bits de armazenamento de dados dos discos rígidos.

E tudo isto foi possível explorando apenas os fenômenos magneto-elétricos, ou seja, a interação entre eletricidade e magnetismo. O que está envolvido aqui é a interação entre a luz e o magnetismo, abrindo caminho para a exploração dos fenômenos magneto-ópticos.

"Dadas as fortes interações entre o magnetismo e a luz, agora podemos esperar um dia criar lasers magnéticos e reconsiderar os antigos conceitos de memória magnética controlada opticamente," disse Jiamin Quan, membro da equipe. Memórias controladas por luz serão muito mais rápidas e consumirão muito menos energia do que as atuais, que são controladas eletricamente.