Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) identificaram padrões de oscilações anteriormente desconhecidos, conhecidos como estados de Floquet, dentro de vórtices magnéticos extremamente pequenos. Ao contrário de estudos anteriores que usavam pulsos de laser poderosos para gerar esses estados, a equipe de Dresden descobriu que uma estimulação suave com ondas magnéticas é suficiente. Essa descoberta não apenas desafia ideias existentes na física fundamental, mas também pode servir como uma espécie de conector universal ligando eletrônica, spintrônica e tecnologias quânticas. Os resultados foram publicados na Science.
Vórtices magnéticos se formam em discos ultrafinos feitos de materiais como níquelferro, frequentemente com apenas micrômetros ou até mesmo nanômetros de tamanho. Dentro dessas estruturas, momentos magnéticos minúsculos, que se comportam como pequenas agulhas de bússola, se alinham em padrões circulares. Quando perturbados, ondas atravessam o sistema de forma semelhante a uma multidão em um estádio realizando uma “onda” coordenada. Cada momento magnético se inclina ligeiramente e passa seu movimento para o próximo, criando uma reação em cadeia. Essas excitações coletivas em forma de onda são conhecidas como magnons.
“Esses magnons podem transmitir informações através de um ímã sem a necessidade de transporte de carga,” explica o líder do projeto, Dr. Helmut Schultheiß, do Instituto de Física de Feixe Iônico e Pesquisa de Materiais do HZDR. “Essa capacidade torna-os altamente atraentes para pesquisas sobre tecnologias de computação de próxima geração.”
Combinações de Frequência Inesperadas em Pequenos Discos Magnéticos
Os pesquisadores estavam experimentando com discos magnéticos especialmente pequenos, reduzindo seu tamanho de vários micrômetros para apenas algumas centenas de nanômetros. O objetivo era explorar como o tamanho do disco poderia influenciar a computação neuromórfica, uma abordagem inspirada no cérebro para o processamento de informações. No entanto, durante a análise de dados, notaram algo incomum. Em vez de um único sinal de ressonância, alguns discos produziam uma série de linhas próximas, formando o que é conhecido como um comb de frequência.
“No começo, supusemos que era um artefato de medição ou algum tipo de interferência,” lembra Schultheiß. “Mas quando repetimos o experimento, o efeito reapareceu. Foi então que ficou claro que estávamos diante de algo genuinamente novo.”
Centro de Vórtice Rotativo Alimenta Novos Estados de Oscilação
A explicação remonta ao trabalho do matemático francês Gaston Floquet, que mostrou no século 19 que sistemas expostos a forças periódicas podem desenvolver estados de oscilação completamente novos. Normalmente, criar esses estados de Floquet exige grandes entradas de energia, geralmente fornecidas por pulsos de laser intensos.
Neste caso, os pesquisadores descobriram que os vórtices magnéticos podem produzir naturalmente estados de Floquet quando os magnons são 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 ao redor de seu centro. Mesmo esse pequeno movimento é suficiente para alterar ritmicamente o estado magnético.
Em experimentos, isso aparece como um comb de frequência. Em vez de um único sinal agudo, múltiplas linhas espaçadas uniformemente emergem, semelhante a como um tom puro pode se dividir em harmônicas. “Ficamos estarrecidos que um movimento tão minúsculo do núcleo fosse suficiente para transformar o espectro de magnons familiar em uma série de novos estados,” diz Schultheiß.
Avanço de Ultra-Baixa Energia com Grande Potencial
Um dos aspectos mais notáveis da descoberta é quanta energia é necessária. Enquanto métodos anteriores dependiam de lasers de alta potência, esse efeito pode ser acionado com microwatts de potência, muito menos do que um smartphone utiliza em modo de espera.
Essa eficiência abre novas possibilidades. Combinações de frequência geradas dessa forma poderiam ajudar a sincronizar sistemas muito diferentes, conectando sinais terahertz ultrarrápidos com eletrônica convencional ou até mesmo dispositivos quânticos. “Nós chamamos isso de adaptador universal,” explica Schultheiß. “Assim como um adaptador USB permite que dispositivos com conectores diferentes funcionem juntos, os magnons de Floquet poderiam conectar frequências que, de outra forma, permaneceriam incompatíveis.”
Rumo à Integração de Computação e Quântica Futura
A equipe planeja investigar se o mesmo mecanismo pode ser aplicado a outras estruturas magnéticas. A descoberta pode desempenhar um papel importante no desenvolvimento de futuros sistemas de computação ao permitir a comunicação entre sinais baseados em magnons, circuitos eletrônicos e componentes quânticos.
“Por um lado, nossa descoberta abre novas avenidas para abordar questões fundamentais em magnetismo,” enfatiza Schultheiß. “Por outro lado, isso pode eventualmente servir como uma ferramenta valiosa para interconectar os reinos da eletrônica, spintrônica e tecnologia da informação quântica.”
Todas as medições dos vórtices magnéticos e a análise de dados de múltiplos instrumentos foram realizadas usando o programa Labmule desenvolvido no HZDR, que está disponível como uma ferramenta de automação laboratorial.
