Imagine ser capaz de alterar um elemento para que ele se transforme em outro completamente diferente. Não é necessária nenhuma varinha mágica ou poções especiais – apenas luz. Quando a luz interage com o material, ela excita seu estado magnético, desencadeando as oscilações magnéticas coletivas. Essas vibrações podem transmitir e armazenar informações a velocidades de terahertz. Todo o processo ocorre à temperatura ambiente e quase não produz calor. Melhor ainda, não depende de materiais raros ou exóticos. Os pesquisadores observaram os efeitos de cristais simples, naturais e amplamente disponíveis. Agora imagine usar o mesmo método para explorar efeitos quânticos – fenômenos tão sutis que geralmente só são observados perto do zero absoluto (-270 graus Celsius) – mas feitos à temperatura ambiente, sem a necessidade de um sistema de resfriamento caro.
Pode parecer ficção científica, mas estes avanços são reais. Uma equipe de físicos da Universidade de Konstanz, liderada por David Bosini, desenvolveu uma técnica experimental que torna isso possível. Ao usar pulsos de laser para excitar de forma coerente pares de magnons (quanta de ondas de spin), os pesquisadores alcançaram efeitos significativos que poderiam impactar tanto a tecnologia da informação quanto a pesquisa quântica. Suas descobertas foram publicadas A ciência avança.
Tecnologia baseada em Magnon
Antes de mergulhar, é útil entender o que são magnons e por que são importantes. O mundo moderno gera enormes quantidades de dados através da inteligência artificial e da “Internet das Coisas”. Os nossos actuais sistemas de informação já estão sob pressão e um estrangulamento de dados ameaça retardar o progresso tecnológico.
Uma solução proposta é usar spins de elétrons – ou melhor, ondas de muitos spins movendo-se juntas – para transportar informações. Essa oscilação de spin combinada é chamada de magnon. Eles se comportam como ondas e podem ser manipulados por lasers, permitindo potencialmente a transmissão e armazenamento de dados em frequências terahertz.
Até agora, os cientistas só conseguiram excitar os magnões até às suas frequências mais baixas utilizando luz, o que limita o seu potencial. Para usar magnons em tecnologias futuras, os pesquisadores devem ser capazes de sintonizar sua frequência, amplitude e tempo de vida. A equipe de Konstanz encontrou agora uma maneira de fazer exatamente isso. Ao excitar diretamente pares de magnons – a ressonância magnética de maior frequência de um material – eles descobriram uma nova e poderosa forma de controle.
Uma grande surpresa
“O resultado foi uma grande surpresa para nós. Nenhuma teoria alguma vez o tinha previsto”, disse David Bosini. O processo não só funciona como também tem efeitos espectaculares. Ao conduzir pares de magnons de alta frequência através de pulsos de laser, os físicos conseguiram alterar a frequência e a amplitude dos outros magnons – e, portanto, as propriedades magnéticas do material – de uma forma não térmica. “Cada sólido tem sua própria frequência: transições eletrônicas, vibrações de rede, excitações magnéticas. Cada elemento ressoa à sua maneira”, explica Bosini. É justamente esse conjunto de frequências que pode ser afetado pelo novo processo. “Isso muda a natureza do material, o ‘DNA magnético do material’, por assim dizer, sua ‘impressão digital’. Torna-se virtualmente um material diferente, com novas propriedades por enquanto”, diz Bossini.
“Os efeitos não são causados pela excitação do laser. A razão é a luz, não a temperatura”, confirmou Bosini: “Podemos alterar a frequência e as propriedades do material de uma forma não térmica”. As vantagens são óbvias: o método pode ser usado para armazenamento futuro de dados e para transmissão rápida de dados a taxas de terahertz, sem diminuir a velocidade dos sistemas com pilhas de calor.
O processo não requer quaisquer materiais espetaculares de alta tecnologia ou terras raras como base, mas sim cristais cultivados naturalmente – nomeadamente o minério de ferro hematita. “A hematita é muito difundida. Séculos atrás, já era usada em bússolas no mar”, explica Bosini. É perfeitamente possível que a hematita agora também seja usada para pesquisas quânticas no futuro. Os resultados da equipe de Konstanz sugerem que, usando o novo método, os pesquisadores deverão ser capazes de produzir condensação de Bose-Einstein induzida pela luz de magnons de alta energia à temperatura ambiente. Isso abrirá caminho para a pesquisa de efeitos quânticos sem a necessidade de resfriamento extensivo. Parece mágica, mas é apenas tecnologia e pesquisa de ponta.
O projeto foi realizado no contexto do Centro de Pesquisa Colaborativa SFB 1432 “Flutuações e Não Linearidades na Matéria Clássica e Quântica Além do Equilíbrio”.
