À medida que o mundo gera mais dados do que nunca, os cientistas estão em busca de maneiras de armazenar essas informações em formatos menores e mais eficientes. “À medida que os volumes de dados continuam a crescer, os futuros meios de armazenamento magnético devem ser capazes de armazenar informações de forma confiável em densidades cada vez maiores”, afirma o Professor Jörg Wrachtrup, Chefe do Centro para Tecnologias Quânticas Aplicadas (ZAQuant) da Universidade de Stuttgart, cuja equipe liderou o estudo. “Nossos resultados são, portanto, diretamente relevantes para tecnologias de armazenamento de dados de próxima geração. Ao mesmo tempo, têm uma importância fundamental, pois fornecem novas percepções sobre interações magnéticas em materiais atômicos finos.”
O grupo de pesquisa internacional identificou um estado magnético previamente desconhecido em um material composto por quatro camadas atômicas de iodeto de cromo. Segundo o Dr. Ruoming Peng, pesquisador de pós-doutorado do 3º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart, a equipe conseguiu ajustar a magnetismo modificando a interação entre os elétrons dentro de cada camada. Peng conduziu os experimentos no ZAQuant ao lado do pesquisador de doutorado King Cho Wong. “Podemos controlar seletivamente essa magnetismo ajustando as interações entre os elétrons nas camadas individuais”, explica Peng. “O que é particularmente notável é que as propriedades magnéticas observadas são robustas contra perturbações ambientais.”
Materiais Bidimensionais Torcidos Criam Skyrmions
O iodeto de cromo pertence a uma categoria conhecida como materiais bidimensionais (2D), que consistem em apenas algumas camadas atômicas dispostas em uma estrutura cristalina. Esses materiais ultra-finos são conhecidos por se comportarem de maneira muito diferente de suas versões tridimensionais mais espessas.
Neste caso, os pesquisadores ligeiramente rotacionaram duas bilayers empilhadas de iodeto de cromo em relação uma à outra. Essa pequena rotação produziu uma nova configuração magnética. “Em contraste, uma bilayer não torcida não exibe um campo magnético externo líquido, como mostrado em estudos anteriores”, diz Peng. A rotação leva à formação de skyrmions, que são estruturas magnéticas em nanoescala que são topologicamente protegidas e excepcionalmente estáveis. Eles estão entre os menores e mais duráveis portadores de informação conhecidos em sistemas magnéticos. A equipe gerou e observou diretamente skyrmions em um material magnético bidimensional torcido pela primeira vez.
Detecção Quântica Revela Magnetismo Extremamente Fraco
Observando esse novo estado magnético, não foi uma tarefa fácil, pois os sinais envolvidos são extremamente fracos. Para medi-los, os cientistas contaram com um microscópio avançado que utiliza detecção quântica. Essa abordagem se aproveita de centros de nitrogênio-vacância (NV) em diamante, uma técnica que foi desenvolvida e aprimorada no Centro para Tecnologias Quânticas Aplicadas por mais de vinte anos.
Descobertas Desafiam a Teoria Magnética Existente
A descoberta não apenas sugere novas possibilidades para o armazenamento de dados de alta densidade, mas também aprofunda a compreensão científica de como os elétrons se comportam coletivamente em sistemas magnéticos atômicos finos. “Nossos resultados experimentais indicam que os modelos teóricos existentes precisam ser refinados para capturar totalmente os fenômenos observados”, diz Wrachtrup.
O projeto reuniu colaboradores do Reino Unido, Japão, Estados Unidos e Canadá, além da Universidade de Stuttgart. Pesquisadores da Universidade de Edimburgo lideraram a modelagem teórica e simulações numéricas.
Sobre o Centro para Tecnologias Quânticas Aplicadas
A pesquisa e o ensino no Centro para Tecnologias Quânticas Aplicadas (ZAQuant) focam em tecnologia quântica de estado sólido, com aplicações que vão desde detecção quântica em nanoescala até redes quânticas. A infraestrutura do instituto é uma combinação única no mundo de laboratórios de precisão e óptica quântica, bem como instalações de sala limpa de última geração.