Uma equipe internacional de Delft, Lancaster, Nijmegen, Kiev e Salerno demonstraram uma nova técnica para gerar ondas magnéticas que se propagam através do material a uma velocidade muito mais rápida do que a velocidade do som.

Essas chamadas ondas de spin produzem muito menos calor do que as correntes elétricas convencionais, tornando-os candidatos promissores para dispositivos de computação futuros com consumo de energia significativamente reduzido.

Físicos e engenheiros de todo o mundo estão constantemente pensando em maneiras de melhorar o desempenho dos dispositivos de processamento de dados. Muitas de suas ideias giram em torno da substituição das correntes elétricas, que transportam os sinais na eletrônica convencional, com ondas. As ondas são excitações coerentes, o que significa que a informação pode ser codificada tanto na amplitude quanto na fase da onda. Interferência e difração, fenômenos naturais para uma onda de qualquer natureza, permitem a criação dos chamados circuitos lógicos baseados em ondas, os minúsculos blocos de construção para futuras aplicações de processamento de dados. Uma vez que as ondas viajam através de materiais com resistência significativamente menor do que as correntes elétricas, eles têm o potencial de reduzir drasticamente o consumo de energia na computação do futuro.

Ondas giratórias em antiferromagnetos

Ondas magnéticas, também chamadas de ondas de spin, são um dos candidatos mais promissores para dispositivos lógicos baseados em ondas. Experimentos usando ondas de spin em ímãs regulares (ferro) mostraram que é possível construir pequenos dispositivos lógicos sem o uso de correntes elétricas. Ferromagnets são caracterizados por uma magnetização líquida. Devido a este último, podemos escrever e ler informações magnéticas em ferromagnetos com a ajuda de um campo magnético externo.

Nos últimos anos, houve uma mudança de foco para o uso de antiferromagnetos. Em materiais antiferromagnéticos, os momentos magnéticos microscópicos de átomos vizinhos - os spins - são fortemente acoplados e alternam entre duas orientações opostas, de modo que não haja magnetização líquida. A existência dessa ordem alternada leva a velocidades de propagação de ondas de spin significativamente mais altas e à possibilidade de taxas de clock operacionais em terahertz (trilhões de hertz). Contudo, a ausência de magnetização também torna os antiferromagnetos magneticamente 'invisíveis':é muito difícil detectar e influenciar a ordem antiferromagnética. A prática tem mostrado que gerar e detectar ondas de spin que podem se mover através de meios antiferromagnéticos é ainda mais difícil. Como resultado, Conceitos de computação baseados em ondas de spin antiferromagnéticas têm existido até agora como um campo de oportunidades empolgantes teoricamente atraente, mas experimentalmente inexplorado. Encontrar novas maneiras de controlar os 'momentos magnéticos' em antiferromagnetos é, portanto, de importância crucial.

A equipe internacional de pesquisadores conseguiu agora criar ondas magnéticas coerentes do tamanho de nanômetros em um antiferroímã que viaja em velocidades supersônicas através do material. O truque deles era usar pulsos de luz ultracurtos para criar e detectar essas ondas de spin. "Embora soubéssemos que pulsos ultracurtos de luz são capazes de influenciar as propriedades magnéticas de materiais antiferromagnéticos, a possibilidade de lançar ondas de spin de propagação de comprimento de onda curto com luz ainda era bastante inesperada ", diz o pesquisador Jorrit Hortensius, da Delft University of Technology. "Isso ocorre porque os pulsos de luz não têm o impulso necessário para criar ondas de spin de comprimento de onda curto - ou grande impulso."

Um chute local ultrarrápido

Sabe-se há alguns anos que pulsos ultracurtos de luz podem ser a chave para a criação de ondas de spin que se propagam em alta frequência. Dentro de um picossegundo (um milionésimo de um milionésimo de um segundo), tais pulsos podem sacudir o sistema magnético ordenado e iniciar o movimento magnético em antiferromagnetos. Contudo, normalmente a área excitada permanece localizada e não suporta propagação. Fazer a excitação para viajar através do material exigia outro ingrediente oculto. "A maioria dos materiais antiferromagnéticos são dielétricos, o que significa que eles são transparentes para a luz visível. Em vez disso, usamos luz ultravioleta que é fortemente absorvida, de modo que apenas agitamos os spins muito perto da superfície do material, dentro da chamada profundidade da pele ", diz o pesquisador Dmytro Afanasiev. "A combinação do chute ultrarrápido com o forte confinamento na superfície do material acabou sendo a combinação para induzir a propagação de ondas de spin antiferromagnéticas."

As ondas de spin têm comprimentos de onda de cerca de 100 nm, que é muito menor do que o comprimento de onda da luz. Isso faz os pesquisadores acreditarem que podem ter criado ondas de spin ainda menores, mesmo que eles não possam observá-los com seus instrumentos atuais. Jorrit Hortensius:"Como as ondas de spin com comprimentos de onda muito pequenos são as mais interessantes para a criação de elementos computacionais altamente compactos, estamos muito curiosos para saber qual é o limite. "

Este trabalho traz futuros dispositivos de ondas de spin em antiferromagnetos mais próximos da realidade. Rostislav Mikhaylovskiy da Lancaster University afirma:"Tradicionalmente, os materiais antiferromagnéticos são considerados praticamente inúteis, uma vez que não possuem magnetização. No entanto, muito recentemente, as funcionalidades exclusivas dos antiferromagnetos desencadearam um verdadeiro boom em seus estudos. Acreditamos que nossas descobertas estimularão pesquisas adicionais sobre ondas de spin antiferromagnéticas e, eventualmente, trarão um dispositivo lógico baseado em antiferromagnético ao alcance prático - potencialmente abrindo a porta para uma redução radical na potência necessária para a computação. "