Featured paper: Networks of atoms in rotation.


The 4 authors of the article. From the left: Antônio Azevedo da Costa (UFPE professor), José Holanda da Silva Júnior (who has just obtained his doctoral degree from UFPE), Daniel Souto Maior Pifano Ferreira (PhD student at UFPE) and Sergio Machado Rezende (Professor at UFPE).
The 4 authors of the article. From the left: Antônio Azevedo da Costa (UFPE professor), José Holanda da Silva Júnior (who has just obtained his doctoral degree from UFPE), Daniel Souto Maior Pifano Ferreira (PhD student at UFPE) and Sergio Machado Rezende (Professor at UFPE).

A Brazilian scientific team announced in Nature Physics (impact factor 22,806), a remarkable novelty about the atomic and subatomic dimension of nature, object of Quantum Physics, in which tiny particles that also behave like waves move around without stopping.

The team, led by Professor Sergio Machado Rezende, was able to experimentally detect, for the first time in science history, phonons with spin – something like a collective vibration of interconnected atoms (phonon) spinning around an axis (spin). “Never had anybody observed a phonon with spin before these experiments,” contextualizes Prof. Rezende (Federal University of Pernambuco, UFPE).

The research was entirely carried out in the Department of Physics of UFPE, with funding from Brazilian research support agencies (CNPq, CAPES and FINEP and FACEPE).

The spin is a property of subatomic particles, and it is the origin of magnetic properties in materials. In a first approach to the concept, it can be represented as a rotational movement of the particle.

The discovery could have an important effect on the so-called “spintronics,” both from a fundamental (understanding of phenomena) and applied point of view. Just as electronics uses the electric charge of electrons to develop technology, the still incipient spintronics takes advantage of spin to encode and store data, transport, and decode them. That is why the evidence presented in the article of Nature Physics opens possibilities of employing phonons in the development of spintronic devices.

The research was developed within the PhD thesis of José Holanda da Silva Júnior, defended on April 20 of this year at UFPE, and guided by Professor Sergio Rezende (known for having held the position of Minister of Science and Technology in Brazil from 2005 to 2010).

The idea of the thesis work was to generate a spin wave (a collective excitement of spins) into a ferromagnetic material and convert it into an elastic wave (a collective vibration of a network of atoms). In quantum terms, the goal was to convert “magnons” into “phonons” – a transformation that can be achieved since in ferromagnetic materials the motion of spins can cause vibrations in the network of atoms.

The idea of the magnon-phonon conversion was well studied in the 1960s and 1970s, Rezende comments. However, at that time it was not possible to obtain clear experimental evidence of the conversion, since the materials available to make the experiments limited the observation of the effect. “Cylinders of ferromagnetic materials were used,” says Rezende. “The effect occurred, but it was inside the material and there was no way to test if it was actually occurring,” he adds. To obtain definitive evidence, it was necessary to use very thin layers of ferromagnetic material.

In the last 20 years, explains Rezende, technology has been developed to make thin films of various materials. As a result, the academic interest in magnon-phonon conversion has returned, generating numerous advances in the understanding of the phenomenon in the last decade.

In this new context, José Holanda, his advisor Prof. Rezende and collaborator Prof. Antônio Azevedo da Costa were able to manufacture a thin film of the most suitable ferromagnetic material to study the magnon-phonon conversion, the yttrium and iron grenade. With this thin film, the team prepared samples in the form of tapes of 2 x 12 square millimeters of surface and 8 micrometers of thickness, and used them to perform two types of major experiments.

The first consists, in broad lines, of applying microwave radiation to one of the two ends of the film, generating spin excitations in the material. Consequently, the spin is oriented around the magnetic field that is applied (phenomenon known as “precession”). This collective precession starts at one end of the sample and propagates as a real “spin wave” until it reaches the other end.

If the magnetic field applied to the sample is uniform, the spin wave attenuates itself and does not become an elastic wave. Therefore, the Pernambuco team used rare earth magnets (one at each end of the sample) to cause variations in the magnetic field along the film, following the spin wave displacement.

Illustration of Brioullin light scattering system by phonons generated by the conversion of magnons, and results of light polarization measurement.
Illustration of Brioullin light scattering system by phonons generated by the conversion of magnons, and results of light polarization measurement.

The experiments with microwaves generated evidence that the magnon-phonon conversion was taking place, but the group considered it important to confirm, or not, the results through measurements of the so-called Brillouin scattering. In this experiment, laser light is applied at some point in the sample and the scattered light is analyzed. The result allows determining the nature of the excitation (in this case, magnon or phonon) that is interacting with light. “The great advantage of using a film instead of a massive material is that you can focus the laser at any position in the film and can vary the angle of incidence,” explains Rezende.

Through Brioullin scattering, the team not only could verify that the spin wave (magnon) subjected to a non-uniform magnetic field had actually converted into an elastic wave (phonons), but also they came upon a surprise: these phonons spread circularly polarized light. – evidence that they had spin. “We did not expect that the phonon produced by the conversion of the magnon also had a certain rotation motion, which is what we call spin,” says Rezende.

After making this discovery experimentally, the team made the corresponding theoretical calculations. “We confirmed that the theory actually predicted that the phonon had spin, but we did not know the theory before,” Professor Rezende reveals.

[Paper: Detecting the phonon spin in magnon–phonon conversion experiments. J. Holanda, D. S. Maior, A. Azevedo & S. M. Rezende. Nature Physics (2018) doi:10.1038/s41567-018-0079.]

Featured paper: Towards two-dimensional diamond.


Two-dimensional materials, those whose thickness goes from an atom to a few nanometers, have unique properties related to their dimensionality and are protagonists in the development of nanotechnology and nanoengineering.

A team of scientists from five Brazilian institutions and one American institution took an important step in the development of the two-dimensional diamond version. This work on 2D diamond was reported in a paper published in Nature Communications (impact factor 12,124) with open access.

“Our work presented spectroscopic evidence of the formation of a two-dimensional diamond, which we named diamondene”, says Luiz Gustavo de Oliveira Lopes Cançado, professor at the Brazilian Federal University of Minas Gerais (UFMG) and corresponding author of the paper. In choosing the name of the new material, the scientists followed the tradition of using the suffix “ene” for two-dimensional materials, as with graphene, 2D version of the graphite.

box_enIn fact, it was from the compression of graphene sheets that the diamondene was obtained by the team led by Professor Cançado. Initially, the team deposited two layers of graphene one on top of the other and transferred the graphene bilayer to a Teflon substrate, chosen for being chemically inert, preventing the formation of bonds with the graphene.

The sample of bi-layered graphene on Teflon was then subjected to high pressures and simultaneously analyzed by Raman spectroscopy at the Laboratory of Vibrational Spectroscopy and High Pressure of the Department of Physics of the Brazilian Federal University of Ceará (UFC). The experimental system used was a diamond anvil cell with a coupled Raman spectrometer. This equipment allows high pressure to be applied to small samples that are immersed in a pressure transmitting medium (in this case, water). The pressure is applied through two pieces of diamond (material chosen for being one of the hardest and resistant to compression), which compress the transmitting medium, which passes the pressure to the sample. At the same time, the spectrometer allows to monitor the changes that occur in the structure of the sample material against the different pressures applied. “In Raman spectroscopy, light behaves like a probe that measures vibrational states of the material,” explains Cançado. As a result of the probing, the spectrometer generates graphs (spectra), through which it is possible to identify the structure of the material being studied.

By analyzing the spectra, the team of scientists observed changes in the two-dimensional material that indicated the transition from a graphene structure to a diamond structure. The researchers were able to conclude that the diamondene was obtained at a pressure of 7 gigapascals (GPa), tens of thousands of times higher than the atmospheric pressure. “The evidence we present in this work is a signature in the vibrational spectrum obtained from a two-dimensional carbon material that indicates the presence of sp3 bonds, typical of the structure of the diamond,” says Professor Cançado.

To explain the formation of diamondene, the team used first principles calculations following the Density Functional Theory and Molecular Dynamics simulations. “These theoretical results guided the experiments and allowed us understanding the experimental results,” says Cançado.

Scheme of the diamondene formation mechanism from two layers of graphene submitted to high pressures (blue arrows) in water as pressure transmitting medium. The gray colored balls represent the carbon atoms; the red ones, the oxygen atoms, and the blue ones, the hydrogen atoms.
Scheme of the diamondene formation mechanism from two layers of graphene submitted to high pressures (blue arrows) in water as pressure transmitting medium. The gray colored balls represent the carbon atoms; the red ones, the oxygen atoms, and the blue ones, the hydrogen atoms.

According to the theoretical results, when the bilayer graphene system on inert substrate with water as pressure transmitting medium is subjected to high pressures, the distances between the elements of the system decrease and new connections occur among them. “When applying this level of pressure on graphene, connections can change, going from the sp2 configuration to the sp3 configuration,” explains Professor Cançado. The carbon atoms in the upper graphene layer then establish covalent bonds with four neighboring atoms: the atoms of the lower layer and the chemical groups offered by water (OH- and H). The latter are fundamental to stabilize the structure. In the lower layer, in contact with the inert substrate, half of the carbon atoms are bound to only three neighboring atoms. “The pending connections give rise to a gap opening in the electronic structure, as well as polarized spin bands,” adds Cançado.

This feature makes diamondene a promising material for the development of spintronics (the emerging strain of electronics at the nanoscale in spin-bases electronics). According to Cançado, diamondene could also be used in quantum computing, microelectromechanical systems (MEMS), superconductivity, electrodes for electrochemistry-related technologies, DNA engineering substrates and biosensors – applications in which thin diamond films have already proven to have good performance.

However, there is still a long way to go before demonstrating the diamondene applications. Firstly, because the diamondene shown in the article dismantles under normal pressure conditions. To overcome this limitation, the group of Professor Cançado at UFMG is setting up an experimental system that will allow the application of much higher pressures to the samples in the order of 50 GPa and analyze them using Raman spectroscopy. “With this we intend to produce stable diamondene samples, which remain in this form even after having the pressure reduced to the level of ambient pressure,” says Cançado.

In addition, since Raman spectroscopy provides indirect evidence of the structure of the material, it will be necessary to perform direct measurements of the diamondene to know its structure in detail. “The most promising techniques in this case would be X-ray diffraction in synchrotron light sources or electron diffraction,” suggests Cançado. “The complicating factor in this experiment is the need to have the sample subjected to high pressures,” he adds.

The Brazilian history of diamondene

The idea of the 2D diamond formation originated in the doctoral research of Ana Paula Barboza, conducted under the guidance of Professor Bernardo Ruegger Almeida Neves and defended in 2012 in the Department of Physics of UFMG. In this work, Cançado says, atomic force microscopy (AFM) tips were used to apply high pressures on one, two and several layers of graphene. Indirect evidence of the formation of a two-dimensional diamond was obtained by means of electric force microscopy (EFM). The work showed the importance of the presence of two layers of graphene and water for the formation of the sp3 two-dimensional structure. The main results of the research were reported in the article Room-temperature compression induced diamondization of a few-layer graphene [Advanced Materials 23, 3014-3017 (2011)].

Main article authors. On the left, Luiz Gustavo Pimenta Martins (MSc from UFMG and doctoral student at MIT). On the right, Professor Luiz Gustavo Cançado (UFMG).
Main article authors. On the left, Luiz Gustavo Pimenta Martins (MSc from UFMG and doctoral student at MIT). On the right, Professor Luiz Gustavo Cançado (UFMG).

“The idea of measuring the Raman spectrum of graphene under high pressure conditions (using anvil diamond cells) came after Luiz Gustavo Pimenta Martins, an undergraduate student at the time, developed a very efficient method of transferring graphene to different substrates,” says Professor Cançado. This development was carried out during a visit to the laboratory of Professor Jing Kong at the Massachusetts Institute of Technology (MIT), after having won a grant for international mobility of the Formula Santander Award. During his master’s degree at the Physics Department of UFMG, carried out under the guidance of Professor Cançado and defended in 2015, Pimenta Martins carried out an extensive and systematic work to obtain Raman spectra of graphene samples subjected to high pressures. “There were many visits to UFC and much study until understanding the diamondene formation mechanisms,” explains Cançado.

The research reported in the Nature Communications paper was made possible by the collaborative work of several Brazilian research groups with recognized expertise in various subjects, as well as the participation of the MIT researcher in the sample preparations. Scientists from the physics departments of UFMG and UFC have contributed their recognized expertise in Raman spectroscopy applied to carbon nanomaterials and, in the case of UFC, in experiments under high pressure. Also participating in these experiments were researchers from the Brazilian Federal Institute of Education, Science and Technology of Ceará and the Brazilian Federal University of Piauí (UFPI). In addition, theoretical physicists from the Brazilian Federal University of Ouro Preto (UFOP) and UFMG performed calculations and computational simulations.

The research was funded by Brazilian federal agency CNPq, state agencies FAPEMIG and FUNCAP, Formula Santander Program and UFOP.

[Paper: Raman evidence for pressure-induced formation of diamondene. Luiz Gustavo Pimenta Martins, Matheus J. S. Matos, Alexandre R. Paschoal, Paulo T. C. Freire, Nadia F. Andrade, Acrísio L. Aguiar, Jing Kong, Bernardo R. A. Neves, Alan B. de Oliveira, Mário S.C. Mazzoni, Antonio G. Souza Filho, Luiz Gustavo Cançado. Nature Communications 8, Article number: 96 (2017). DOI:10.1038/s41467-017-00149-8. Disponível em: https://www.nature.com/articles/s41467-017-00149-8]

Entrevista com o professor Sergio Machado Rezende, vencedor do Prêmio FCW de Ciência.


Crédito: Leo Ramos.

O professor Sergio Machado Rezende, pesquisador da área de Física de Materiais e ex-gestor (como ele diz) de ciência e tecnologia, recebeu, na noite de 17 de junho deste ano, o Prêmio FCW de Ciência, da Fundação Conrado Wessel. Membro da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais, Rezende teve importante participação na criação da nossa SBPMat.

O prêmio recebido por Rezende em cerimônia na Sala São Paulo reconhece perfis renomados em ciência, com qualidades de talento inovador, liderança, abrangência social, trabalho incansável, integridade e ética. Os candidatos são indicados por instituições reconhecidas do país. No caso de Rezende, a indicação partiu da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), onde ele é professor titular do Departamento de Física desde 1972.

Nascido no Rio de Janeiro, Sergio Rezende se formou em Engenharia Eletrônica em 1963 pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e obteve o mestrado e o doutorado, ambos em Engenharia Eletrônica-Ciência de Materiais, no Massachusetts Institute of Technology (MIT), nos Estados Unidos. De volta ao Brasil, e antes de entrar na UFPE, foi professor associado da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e professor titular da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

Em gestão de ciência e tecnologia, foi presidente da Finep entre 2003 e 2005 e ministro da Ciência e Tecnologia de 2005 a 2010. Antes de assumir a Presidência da Finep, ocupou os cargos de diretor científico da Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia de Pernambuco (Facepe); secretário de Ciência, Tecnologia e Meio Ambiente do Estado de Pernambuco, e secretário do Patrimônio, Ciência e Cultura da Prefeitura de Olinda, além de chefe do Departamento de Física e diretor do Centro de Ciências Exatas da UFPE.

Dentro da sua atuação acadêmica, desenvolvida quase sempre em paralelo à sua atuação como gestor público, o professor Rezende orientou 36 trabalhos de mestrado e de doutorado e publicou mais de 230 artigos científicos em revistas de circulação internacional.

Entre outras distinções, Sergio Rezende recebeu, em 1995, a Comenda da Ordem do Mérito Científico, categoria Grã-Cruz, por suas relevantes contribuições à ciência e tecnologia, e, em 2001, o Prêmio Anísio Teixeira da Capes, homenagem a personalidades brasileiras que tenham contribuído de modo relevante para o desenvolvimento da pesquisa e formação de recursos humanos no país. Rezende também foi distinguido, em 2011, com a primeira palestra memorial “Joaquim Costa Ribeiro”, honraria outorgada pela SBPMat.

Segue uma breve entrevista com o professor.

Boletim da SBPMat (B. SBPMat): – Quais são, na sua avaliação, as suas principais contribuições/ ações de maior impacto para a ciência no Brasil, seja no seu papel de pesquisador e formador de pessoas, seja no seu papel de gestor público?

Sergio Machado Rezende (S.M.R.): – Eu gostaria de destacar duas, uma como pesquisador e outra como gestor no cargo mais alto que ocupei.
A primeira foi o meu papel na implantação de um grupo de pesquisa em Física na Universidade Federal de Pernambuco, iniciada em 1972, num lugar onde não havia pesquisa em Física anteriormente. Eu fui o primeiro doutor na área de Física da universidade. Com meus colegas conseguimos formar um grupo que faz pesquisa na fronteira do conhecimento, temos ótimos laboratórios e estamos contribuindo na formação de engenheiros (Física básica) e formando bons físicos em nossos programas de graduação e pós-graduação. Isso mostra que é possível fazer no Brasil uma instituição de ensino e pesquisa de bom nível, num local sem tradição na área, desde que haja determinação, pessoas qualificadas e apoio do governo.
A segunda foi na minha atuação no Ministério da Ciência e Tecnologia, onde, com grande articulação da comunidade científica, empresarial e do governo, fizemos um plano de ação de ciência, tecnologia e inovação que foi bem sucedido, com prioridades claras, linhas de ação abrangentes e programas bem articulados, que possibilitaram grande aumento nos recursos financeiros federais e estaduais.

B.SBPMat: – Após muitos anos conciliando o trabalho de gestor público com o de professor e pesquisador, já de volta à vida de cientista em tempo integral, conte-nos um pouco sobre seus projetos e interesses atuais, principalmente os referentes à pesquisa em Materiais.

S.M.R.: – Eu praticamente sempre trabalhei com materiais magnéticos. Fiz poucos trabalhos que não envolveram materiais magnéticos. Nos últimos tempos tenho me dedicado a uma área do magnetismo que se chama spintrônica. É uma área muito nova, que está desenvolvendo rapidamente. Já tem algumas aplicações tecnológicas muito difundidas, mas tem um potencial de aplicações muito grande. A spintrônica ainda está numa fase inicial de desenvolvimento, então seus desafios científicos são muito interessantes e estão na fronteira do conhecimento. É muito estimulante para um cientista ter a possibilidade de trabalhar numa área que é competitiva, que tem muita gente trabalhando e que está crescendo rapidamente.

B.SBPMat: – O senhor sempre pesquisou materiais magnéticos e propriedades magnéticas. Qual é a sua apreciação da evolução dessa área e de seus principais desafios?

S.M.R.: – Os materiais magnéticos, como se sabe, têm muitas aplicações tecnológicas, e algumas delas são muito antigas. Desde que o motor elétrico, o gerador e os transformadores foram inventados no século XIX, a eletricidade passou a ser muito presente em nossa vida. Os materiais magnéticos são essenciais para todos eles, assim como para muitos outros dispositivos e equipamentos, divididos em duas classes bem distintas, os ímãs permanentes, que retêm sua magnetização, e os materiais moles, que são facilmente desmagnetizados. Existe uma terceira categoria de aplicações de materiais magnéticos que exige propriedades intermediárias entre os dois, é na gravação magnética, usada hoje principalmente nos discos rígidos dos computadores. Nessas três áreas de aplicações, são os resultados da pesquisa em Física, Química e Engenharia de Materiais que têm possibilitado o desenvolvimento de materiais melhores, com maior capacidade e em volumes menores.
Por exemplo, hoje os ímãs de terras raras que foram desenvolvidos nos últimos quinze a vinte anos são essenciais para se fazer motores e geradores de alta eficiência, empregados nos carros elétricos e nos geradores de turbinas eólicas. As turbinas eólicas, que são usadas para gerar energia a partir do vento, hoje têm capacidade de geração muito alta, graças em grande parte ao desenvolvimento de ímãs de terras raras.
Na área de gravação magnética, nós vemos a evolução em nosso dia-a-dia. A cada ano, a capacidade de memória do disco rígido dos novos computadores é maior. E nós queremos mais memória para armazenar mais informação. A grande evolução na capacidade de armazenamento dos computadores é resultado, exatamente, da pesquisa e desenvolvimento dos materiais magnéticos usados na gravação e também da cabeça de leitura da informação gravada. Todos os computadores atuais usam na cabeça de leitura um sensor de spintrônica, que utiliza um fenômeno chamado magneto-resistência gigante (GMR). É interessante lembrar que a GMR foi descoberta em 1989 por uma equipe da Universidade de Paris em Orsay, do qual fazia parte Mario Baibich, físico da UFRGS, que foi o primeiro autor do artigo científico que relatou a descoberta.

B.SBPMat: – Gostaria de deixar alguma mensagem para nossos leitores que estão iniciando suas carreiras de cientistas?

S.M.R.: – Há quarenta anos, quando eu vim para Pernambuco, os recursos para ciência eram muito menores do que são agora, o ambiente na universidade não favorecia muito a pesquisa, havia muito poucos pesquisadores, não havia programas de pós-graduação. Mas a situação mudou muito nos últimos quarenta anos. Então, o que eu quero dizer para o jovem que começa sua carreira atualmente é que dificuldades ainda existem, mas elas são hoje muito menores do que na época em que eu estava começando minha carreira. E que a coisa mais importante para um jovem é não desanimar. É preciso enfrentar os problemas com disposição. É preciso entender que o Brasil tem um futuro muito amplo e que a ciência e a tecnologia vão ser cada vez mais importantes para nosso desenvolvimento. O jovem precisa ter consciência de que vai ter um papel importante no futuro e precisa ter confiança para não desanimar com as dificuldades que, como disse antes, são muito menores hoje do que no passado.