Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) identificaram padrões de oscilação anteriormente invisíveis, conhecidos como estados Floket, dentro de vórtices magnéticos extremamente pequenos. Ao contrário de pesquisas anteriores que dependiam de poderosos pulsos de laser para criar esses estados, a equipe de Dresden descobriu que a estimulação suave por meio de ondas magnéticas é suficiente. Esta descoberta não só desafia os conceitos existentes da física fundamental, mas também pode servir como uma espécie de conector universal que conecta a eletrônica, a spintrônica e as tecnologias quânticas. Os resultados são publicados ciência.
Os vórtices magnéticos são formados em discos ultrafinos feitos de materiais como níquel-ferro, geralmente com tamanho de apenas micrômetros ou mesmo nanômetros. Dentro desta estrutura, pequenos momentos magnéticos, que se comportam como pequenas agulhas de uma bússola, estão alinhados num padrão circular. Quando perturbadas, as ondas ondulam pelo sistema como uma multidão em um estádio realizando uma “onda” concertada. Cada momento magnético inclina-se ligeiramente e transfere o seu momento para o próximo, criando uma reação em cadeia. Essa excitação coletiva em forma de onda é conhecida como magnon.
“Esses magnons podem transmitir informações através de ímãs sem a necessidade de transporte de carga”, explica o líder do projeto, Dr. Helmut Schultheis, do Instituto de Física de Feixes de Íons e Pesquisa de Materiais da HZDR. “Essa capacidade os torna extremamente atraentes para pesquisas em tecnologias de computação de próxima geração.”
Pentes de frequência inesperados em pequenos discos magnéticos
Os pesquisadores estavam fazendo experiências com discos magnéticos particularmente pequenos, reduzindo-os de alguns micrômetros para apenas algumas centenas de nanômetros. O objetivo deles era explorar como o tamanho do disco pode afetar a computação neuromórfica, uma abordagem inspirada no cérebro para o processamento de informações. Porém, ao analisar os dados, eles notaram algo incomum. Em vez de um único sinal de ressonância, alguns discos produzem uma série de linhas estreitamente espaçadas, conhecidas como pente de frequência.
“Inicialmente presumimos que fosse um artefato de medição ou algum tipo de interferência”, lembra Schultheis. “Mas quando repetimos a experiência, o efeito foi visto novamente. Foi quando ficou claro que estávamos vendo algo verdadeiramente novo.”
O núcleo rotativo impulsiona o novo estado oscilante
A explicação remonta ao trabalho do matemático francês Gaston Floquet, que mostrou no século XIX que sistemas expostos a forças periódicas podem desenvolver estados oscilatórios inteiramente novos. Normalmente, a geração desses estados Floquet requer grandes insumos de energia, muitas vezes fornecidos por intensos pulsos de laser.
Neste caso, os pesquisadores descobriram que os vórtices magnéticos podem formar naturalmente estados Floket quando os magnons estão suficientemente energizados. Os magnons transferem parte de sua energia para o núcleo do vórtice, fazendo com que ele se mova em um pequeno caminho circular em torno de seu centro. Mesmo este pequeno movimento é suficiente para alterar ritmicamente o estado magnético.
Nos testes, aparece como um pente de frequência. Em vez de um único sinal nítido, aparecem múltiplas linhas uniformemente espaçadas, da mesma forma que um tom puro pode se dividir em harmônicos. “Ficamos chocados com o fato de que uma velocidade fundamental tão diminuta foi suficiente para transformar o espectro magnon conhecido em uma série de novos estados”, disse Schultheis.
Avanço de energia ultrabaixa com grande potencial
Um dos aspectos mais interessantes da invenção é o quão pouca energia ela requer. Embora os métodos anteriores dependam de lasers de alta potência, esse efeito pode ser desencadeado com microwatts de potência, muito menos do que um smartphone usa no modo de espera.
Essa habilidade abre novas possibilidades. Os pentes de frequência assim gerados poderiam ajudar a sincronizar sistemas muito díspares, acoplando sinais terahertz ultrarrápidos à eletrônica convencional ou mesmo a dispositivos quânticos. “Nós o chamamos de adaptador universal”, explica Schulteiß. “Assim como um adaptador USB permite que dispositivos com conectores diferentes funcionem juntos, os magnons Floket podem unir frequências que de outra forma permaneceriam incompatíveis.”
Rumo à computação futura e à integração quântica
A equipe planeja investigar se o mesmo processo pode ser aplicado a outras estruturas magnéticas. A descoberta poderia desempenhar um papel importante no desenvolvimento de futuros sistemas de computação, permitindo a comunicação entre sinais baseados em magnon, circuitos eletrônicos e componentes quânticos.
“Por um lado, a nossa descoberta abre novos caminhos para resolver questões fundamentais do magnetismo”, enfatiza Schulheiß. “Por outro lado, poderia eventualmente servir como uma ferramenta valiosa para interligar os campos da eletrônica, spintrônica e tecnologia de informação quântica.”
Todas as medições de vórtices magnéticos e análise de dados de múltiplos instrumentos foram realizadas utilizando o programa LabMull desenvolvido na HZDR, que está disponível como ferramenta de automação de laboratório.
