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 dependiam de pulsos de laser potentes para gerar esses estados, a equipe de Dresden descobriu que uma estimulação suave usando ondas magnéticas é suficiente. Essa descoberta não apenas desafia as ideias existentes na física fundamental, mas também pode servir como um conector universal vinculando eletrônica, spintrônica e tecnologias quânticas. Os resultados foram publicados na Science.
Vórtices magnéticos se formam em discos ultrafinos feitos de materiais como níquel-ferro, frequentemente com apenas micrômetros ou até nanômetros de tamanho. Dentro dessas estruturas, pequenos momentos magnéticos, que se comportam como agulhas de bússola em miniatura, se alinham em padrões circulares. Quando perturbados, ondas se propagam pelo sistema de maneira semelhante a uma multidão em um estádio realizando uma “onda” coordenada. Cada momento magnético se inclina levemente e passa seu movimento ao 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 Feixes Iônicos e Pesquisa de Materiais do HZDR. “Essa capacidade os torna altamente atraentes para pesquisas em tecnologias de computação de próxima geração.”
Combinações de Frequência Inesperadas em Discos Magnéticos Pequenos
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 processar informações. No entanto, durante a análise dos dados, eles notaram algo incomum. Em vez de um único sinal de ressonância, alguns discos produziram uma série de linhas espaçadas de forma próxima, formando o que é conhecido como um comb de frequência.
“A princípio, supomos que era um artefato de medição ou algum tipo de interferência,” recorda Schultheiß. “Mas quando repetimos o experimento, o efeito reapareceu. Foi quando ficou claro que estávamos diante de algo genuinamente novo.”
O Núcleo do Vórtice Rotativo Impulsiona 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 oscilações totalmente novos. Normalmente, a criação desses estados de Floquet exigia grandes entradas de energia, frequentemente fornecidas por pulsos de laser intensos.
Neste caso, os pesquisadores descobriram que os vórtices magnéticos podem produzir naturalmente estados de Floquet quando os magnons estão suficientemente energizados. Os magnons transferem parte de sua energia para o núcleo do vórtice, fazendo com que este se mova em um pequeno caminho circular em torno de seu centro. Mesmo esse pequeno movimento é suficiente para alterar ritmicamente o estado magnético.
Nos experimentos, isso aparece como um comb de frequência. Em vez de um sinal nítido, múltiplas linhas espaçadas uniformemente emergem, semelhante a como um tom puro pode se dividir em harmônicos. “Ficamos surpresos que um movimento tão minúsculo do núcleo fosse suficiente para transformar o espectro de magnons familiar em uma gama inteira de novos estados,” diz Schultheiß.
Avanço de Ultra-baixa Energia com Grande Potencial
Um dos aspectos mais impressionantes da descoberta é a quantidade mínima de energia 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 consome em modo de espera.
Essa eficiência abre novas possibilidades. Combinações de frequência geradas dessa maneira poderiam ajudar a sincronizar sistemas muito diferentes, conectando sinais terahertz ultrarrápidos com eletrônica convencional ou 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 Computação Futuramente Integrada e Quântica
A equipe planeja investigar se o mesmo mecanismo pode ser aplicado a outras estruturas magnéticas. A descoberta poderia desempenhar um papel importante no desenvolvimento de sistemas de computação futuros, permitindo 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, pode eventualmente servir como uma ferramenta valiosa para interconectar os domínios da eletrônica, spintrônica e tecnologia de informação quântica.”
Todas as medições dos vórtices magnéticos e a análise de dados de múltiplos instrumentos foram realizadas utilizando o programa Labmule desenvolvido no HZDR, que está disponível como uma ferramenta de automação de laboratório.
