Nos últimos anos, a excitação gira em torno de um tipo de quase-partícula chamada skyrmion, que surge como um comportamento coletivo de um grupo de elétrons. Porque eles são estáveis, apenas alguns nanômetros de tamanho, e precisa apenas de pequenas correntes elétricas para transportá-los, skyrmions têm potencial como base para dispositivos de processamento e armazenamento de informações ultracompactos e com eficiência energética no futuro.

Agora, um grupo de pesquisa em Cingapura usou simulações de computador para investigar melhor o comportamento dos skyrmions, obter informações que podem ajudar cientistas e engenheiros a estudar melhor as quase-partículas em experimentos. Os novos resultados, publicado esta semana em AIP Advances , também pode levar a dispositivos baseados em skyrmion, como nano-osciladores de micro-ondas, usado em uma variedade de aplicações, incluindo comunicação sem fio, sistemas de imagem, radar e GPS.

"Seus atributos únicos, por exemplo, poderia teoricamente habilitar notebooks com discos rígidos do tamanho de amendoins, e ainda consome pouca energia, "disse Meng Hau Kuok, da Universidade Nacional de Cingapura e um dos autores do trabalho.

Observado em 2009, skyrmions surgem do comportamento coletivo dos elétrons em materiais magnéticos sob certas condições. Devido a seus giros, os elétrons agem como pequenos ímãs onde seus pólos magnéticos se alinham com seus spins. Um fenômeno chamado de interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) - que ocorre na interface entre uma camada magnética e um metal não magnético - inclina os spins e os organiza em padrões circulares. Esses arranjos circulares de spins, que se comportam coletivamente como partículas, são skyrmions.

Embora os pesquisadores tenham estudado como grupos de skyrmions se comportam, pouco se sabe sobre seus comportamentos internos, Kuok disse. Em particular, os físicos não entendem completamente os três modos fundamentais das partículas, que são análogos aos modos vibracionais fundamentais de uma corda de violão correspondendo a diferentes notas musicais. Como essas notas, cada modo skyrmion está associado a uma certa frequência.

"Os modos podem ser considerados como padrões circulares de giros dançando em sincronia, "Disse Kuok. Compreender os modos é essencial para saber como as partículas se comportariam.

Em um dos modos, chamado de modo de respiração, o padrão de giros se expande e se contrai alternadamente. Nos outros dois modos, o arranjo circular de spins gira nos sentidos horário e anti-horário, respectivamente.

Os pesquisadores se concentraram em um tipo de skyrmion chamado de skyrmion Néel, que existe em filmes ultrafinos depositados em metais com um forte DMI. Usando um computador, eles simularam como o DMI e os campos magnéticos externos de intensidades variadas afetaram os modos e propriedades das partículas. Eles descobriram que, dada a mesma força DMI, e se estiver na fase de cristal, as frequências correspondentes a cada modo dependem de maneira diferente da intensidade do campo magnético.

O aumento do campo magnético também induz os skyrmions a mudar de fase em relação um ao outro, de serem arranjados em arranjos ordenados como um cristal para serem distribuídos e isolados aleatoriamente. Os pesquisadores descobriram que os três modos respondem de maneira diferente a essa transição de fase.

Surpreendentemente, Kuok disse, todos os três modos podem existir na fase de cristal, enquanto o modo de rotação no sentido horário não existe na fase isolada. Uma razão, as simulações reveladas, pode ser que os skyrmions estejam mais distantes na fase isolada do que na fase de cristal. Se os skyrmions estiverem muito distantes, então eles não podem interagir. Essa interação pode ser necessária para o modo de rotação no sentido horário, Kuok disse.

Como as frequências de modo de skyrmions estão na faixa de micro-ondas, as quase-partículas poderiam ser usadas para novos nano-osciladores de micro-ondas, que são blocos de construção importantes para circuitos integrados de micro-ondas.

Um nanooscilador de microondas baseado em skyrmions poderia operar em três frequências ressonantes, correspondendo aos três modos. Um campo magnético crescente diminuiria as frequências ressonantes dos modos de respiração e rotação no sentido horário em taxas diferentes, mas aumente a frequência de ressonância do modo de rotação no sentido anti-horário. Esse dispositivo baseado em skyrmion seria mais compacto, estábulo, e requerem menos energia do que o convencional, nanoosciladores baseados em elétrons.

Mas antes que os skyrmions encontrem seu caminho para os dispositivos, os pesquisadores ainda precisam projetar suas propriedades desejadas específicas, como tamanho, e ajustar com precisão suas propriedades dinâmicas. "Nossas descobertas podem fornecer insights teóricos sobre como lidar com esses desafios, "Kuok disse.