Pesquisadores do Helmholtz Zentrum Dresden Rosendorf (HZDR) descobriram um modo de oscilação nunca antes visto, chamado estado Floquet, dentro de vórtices magnéticos extremamente pequenos. Em contraste com estudos anteriores que dependiam de poderosos pulsos de laser para produzir esses estados, a equipe de Dresden descobriu que a estimulação suave por meio de ondas magnéticas era suficiente. A descoberta não apenas desafia as ideias existentes na física fundamental, mas também pode servir como um conector universal entre a eletrônica, a spintrônica e as tecnologias quânticas. Os resultados da pesquisa foram publicados em ciência.
As correntes parasitas magnéticas se formam em discos ultrafinos feitos de materiais como níquel-ferro, geralmente com tamanho de apenas micrômetros ou mesmo nanômetros. Dentro dessas estruturas, pequenos momentos magnéticos, que se comportam como agulhas de bússola em miniatura, estão dispostos em padrões circulares. Quando perturbadas, as ondas ondulam pelo sistema, como as “ondas” coordenadas de uma multidão em um estádio. Cada momento magnético inclina-se ligeiramente e transfere o seu movimento para o próximo, criando uma reação em cadeia. Essas excitações coletivas em forma de onda são chamadas magnons.
“Esses magnons podem transmitir informações por meio de ímãs sem a necessidade de transferência de carga”, explica o líder do projeto, Dr. Helmut Schultheiß, do Instituto de Física e Materiais de Feixes de Íons 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 têm feito experiências com discos extremamente pequenos, reduzindo-os de alguns mícrons para centenas de nanômetros. O objetivo deles era explorar como o tamanho do disco afeta a computação neuromórfica, uma abordagem inspirada no cérebro para o processamento de informações. Porém, durante a análise dos dados, eles descobriram algo incomum. Alguns discos produzem não um único sinal ressonante, mas uma série de linhas estreitamente espaçadas, formando o que é chamado de pente de frequência.
“Inicialmente pensamos que era um artefato de medição ou algum tipo de interferência”, lembra Schulteiß. “Mas quando repetimos a experiência, o efeito apareceu novamente. Foi quando ficou claro para nós que estávamos no caminho certo para algo verdadeiramente novo.”
Núcleo de vórtice giratório impulsiona novo estado de oscilação
Esta explicação remonta ao trabalho do matemático francês Gaston Floquet, que mostrou no século XIX que sistemas expostos a forças periódicas poderiam desenvolver estados oscilatórios inteiramente novos. Normalmente, a criação desses estados Floquet requer uma grande entrada de energia, normalmente fornecida por fortes pulsos de laser.
Neste caso, os pesquisadores descobriram que quando os magnons obtêm energia suficiente, os vórtices magnéticos podem criar naturalmente estados Floquet. O magnon transfere parte de sua energia para o núcleo do vórtice, fazendo com que ele se mova ao longo de um pequeno caminho circular em torno de seu centro. Mesmo este pequeno movimento é suficiente para alterar ritmicamente o estado magnético.
Em experimentos, isso se manifesta como um pente de frequência. Em vez de um sinal nítido, o que aparece são múltiplas linhas espaçadas uniformemente, semelhante à forma como um tom puro se divide em harmônicos. “Ficamos surpresos que esses pequenos movimentos centrais fossem suficientes para transformar o familiar espectro magnon em uma série de novos estados”, disse Schultheiss.
Avanço no consumo de energia ultrabaixo, enorme potencial
Um dos aspectos mais marcantes desta descoberta é o quão pouca energia ela requer. Embora os métodos anteriores dependessem de lasers de alta potência, o efeito pode ser desencadeado com microwatts de potência, muito menos do que os smartphones usam no modo de espera.
Essa eficiência abre novas possibilidades. Os pentes de frequência produzidos desta forma poderiam ajudar a sincronizar sistemas muito díspares, conectando sinais terahertz ultrarrápidos com eletrônicos convencionais e até mesmo dispositivos quânticos. “Chamamos-lhe adaptador universal”, explica Schulheiß. “Assim como os adaptadores USB permitem que dispositivos com conectores diferentes funcionem juntos, os ímãs Floquet conectam frequências que de outra forma seriam incompatíveis.”
Rumo ao futuro da computação e da integração quântica
A equipe planeja investigar se o mesmo mecanismo pode ser aplicado a outras estruturas magnéticas. Esta 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 novas formas de resolver questões fundamentais sobre o magnetismo”, enfatiza Schultheiss. “Por outro lado, poderia acabar se tornando uma ferramenta valiosa nas áreas de eletrônica interconectada, spintrônica e tecnologia de informação quântica.”
Todas as medições de correntes parasitas magnéticas e análises de dados de múltiplos instrumentos foram realizadas utilizando o programa Labmule desenvolvido pela HZDR, que está disponível como ferramenta de automação laboratorial.
