Os sistemas digitais modernos dependem de informações codificadas em unidades binárias simples de 0s e 1s. Qualquer substância física que possa mudar de forma confiável entre duas configurações estáveis distintas pode, em princípio, servir como uma plataforma de armazenamento para essas informações binárias.
Materiais ferroicos se enquadram nessa categoria. Esses sólidos podem ser alternados entre dois estados distintos. Exemplos bem conhecidos incluem ferromagnetos, que alternam entre orientações magnéticas opostas, e ferroeletétricos, que podem manter polarizações elétricas opostas. Sua capacidade de responder a campos magnéticos ou elétricos torna os materiais ferroicos componentes essenciais em muitos dispositivos eletrônicos e de armazenamento de dados modernos.
No entanto, eles não estão isentos de limitações: são sensíveis a distúrbios externos — como campos magnéticos fortes perto de um disco rígido — e seu desempenho geralmente se degrade ao longo do tempo. Esses desafios motivaram os pesquisadores a procurar novas abordagens de armazenamento que sejam mais resilientes.
Materiais Ferroaxiais e Seus Estranhos Estados de Vórtice
Materiais ferroaxiais representam um ramo mais recente da família ferroica. Em vez de depender de estados de polarização magnética ou elétrica, esses materiais contêm vórtices de dipolos elétricos. Esses vórtices podem apontar em duas direções opostas enquanto não produzem magnetização líquida nem polarização elétrica líquida. Eles são extremamente estáveis e naturalmente resistentes a campos externos, mas essa mesma estabilidade tornou-os muito difíceis de manipular, limitando o progresso científico nessa área.
Usando Luz Terahertz para Alternar Estados Ferroaxiais
Uma equipe liderada por Andrea Cavalleri agora demonstrou um método para controlar esses estados elusivos. Os pesquisadores utilizaram pulsos terahertz polarizados circularmente para alternar entre domínios ferroaxiais em sentido horário e anti-horário em um material chamado dimolibdato de ferro de rubídio (RbFe(MoO₄)2).
“Aproveitamos um campo efetivo sintético que surge quando um pulso terahertz move os íons na rede cristalina em círculos,” explica o autor principal Zhiyang Zeng. “Esse campo efetivo é capaz de se acoplar ao estado ferroaxial, assim como um campo magnético alternaria um ferromagneto ou um campo elétrico inverteria um estado ferroeletétrico,” acrescentou.
Alterando a helicidade, ou torção, dos pulsos circularmente polarizados, a equipe conseguiu estabilizar tanto o arranjo horário quanto o anti-horário de dipolos elétricos. Como observa o coautor Michael Först, “dessa forma, possibilitando o armazenamento de informações nos dois estados ferroicos. Como os ferroaxiais estão livres de campos elétricos despolarizantes ou campos magnéticos indesejados, eles são candidatos extremamente promissores para um armazenamento de dados estável e não volátil.”
Implicações para Tecnologias Futuras de Informação Ultrafast
“Esta é uma descoberta empolgante que abre novas possibilidades para o desenvolvimento de uma plataforma robusta para armazenamento de informações ultrarrápido,” diz Andrea Cavalleri. Ele acrescenta que o trabalho também destaca a crescente importância dos campos de fônons circulares, demonstrados pela primeira vez pelo grupo em 2017, como uma ferramenta poderosa para manipular fases de materiais não convencionais.
Essa pesquisa foi amplamente apoiada pela Sociedade Max Planck e pelo Centro de Pós-Graduação Max-Planck para Materiais Quânticos, que promove a colaboração com a Universidade de Oxford. O apoio adicional vem da Deutsche Forschungsgemeinschaft através do Cluster de Excelência ‘CUI: Imagem Avançada da Matéria’. O MPSD também é parceiro do Centro de Ciência do Laser de Elétrons Livres (CFEL) com DESY e a Universidade de Hamburgo.