Os cientistas sabem há muito tempo que o magnetismo é criado pelos spins dos elétrons se alinhando de certas maneiras. Mas cerca de uma década atrás, eles descobriram outra camada surpreendente de complexidade em materiais magnéticos:sob as condições certas, esses spins podem formar pequenos vórtices ou redemoinhos que agem como partículas e se movem independentemente dos átomos que os geraram.
Os minúsculos redemoinhos são chamados de skyrmions, em homenagem a Tony Skyrme, o físico britânico que previu sua existência em 1962. Seu tamanho pequeno e natureza robusta - como nós difíceis de desfazer - deram origem a um campo em rápida expansão dedicado a entendê-los melhor e explorando suas estranhas qualidades.

"Esses objetos representam algumas das formas mais sofisticadas de ordem magnética que conhecemos", disse Josh Turner, cientista da equipe do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e investigador principal do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES). no SLAC.

"Quando os skyrmions se formam", disse ele, "acontece tudo de uma vez, em todo o material. O que é ainda mais interessante é que os skyrmions se movem como se fossem partículas individuais e independentes. É como uma dança onde todos os spins estão se comunicando uns aos outros e movendo-se em uníssono para controlar o movimento dos skyrmions, e enquanto isso os átomos na rede abaixo deles apenas ficam lá."

Por serem tão estáveis ​​e tão pequenos – cerca de 1.000 vezes o tamanho de um átomo – e serem facilmente movidos pela aplicação de pequenas correntes elétricas, ele disse, “há muitas ideias sobre como aproveitá-los para novos tipos de computação e armazenamento de memória. tecnologias que são menores e usam menos energia."

O mais interessante para Turner, porém, é a física fundamental por trás de como os skyrmions se formam e se comportam. Ele e colegas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE e da Universidade da Califórnia, em San Diego, vêm desenvolvendo métodos para capturar as atividades de skyrmions em seu estado natural e imperturbável com detalhes sem precedentes usando o laser de elétrons livres de raios X do SLAC, o Linac Coherent Light Fonte (LCLS). Ele permite que eles meçam detalhes em nanoescala – tão pequenos quanto milionésimos de polegada – e observem as mudanças ocorrendo em bilionésimos de segundo.

Em uma série de artigos recentes, eles descrevem experimentos que sugerem que os skyrmions podem formar uma fase semelhante a vidro, onde seus movimentos são tão lentos que parecem estar presos, como carros em um engarrafamento. Além disso, eles mediram como o movimento natural dos skyrmions um em relação ao outro pode oscilar e mudar em resposta a um campo magnético aplicado e descobriram que esse movimento inerente nunca parece parar completamente. Essa flutuação sempre presente, disse Turner, indica que skyrmions podem ter muito em comum com supercondutores de alta temperatura – materiais quânticos cuja capacidade de conduzir eletricidade sem perda em temperaturas relativamente altas pode estar relacionada a faixas flutuantes de spin e carga de elétrons.

A equipe de pesquisa foi capaz de observar flutuações de skyrmion em um filme magnético fino feito de muitas camadas alternadas de ferro e gadolínio, tirando fotos com o feixe de laser de raios-X LCLS com apenas 350 trilionésimos de segundo de intervalo. Eles dizem que seu método pode ser usado para estudar a física de uma ampla gama de materiais, bem como sua topologia – um conceito matemático que descreve como a forma de um objeto pode se deformar sem alterar fundamentalmente suas propriedades. No caso dos skyrmions, a topologia é o que lhes dá sua natureza robusta, tornando-os difíceis de aniquilar.

"Acho que essa técnica vai crescer e se tornar muito poderosa na física da matéria condensada, porque não há muitas maneiras diretas de medir essas flutuações ao longo do tempo", disse Sujoy Roy, cientista da equipe do Advanced Light Source do Berkeley Lab. "Há um grande número de estudos que podem ser feitos em coisas como supercondutores, óxidos complexos e interfaces magnéticas."

Sergio Montoya, cientista do Center for Memory and Recording Research da UC San Diego, que projetou e criou o material usado neste estudo, acrescentou:"Esse tipo de informação é importante quando você desenvolve eletrônicos em grande escala e precisa ver como eles se comportam em todo o material, não apenas em um pequeno ponto."

Snapshots rápidos de mudanças em escala atômica

Montoya começou a estudar o filme de ferro-gadolínio por volta de 2013. Na época, já se sabia que as treliças de skyrmions podiam se formar quando campos magnéticos eram aplicados a certos ímãs, e havia fortes esforços de pesquisa para descobrir novos materiais capazes de hospedar skyrmions à temperatura ambiente . Montoya elaborou cuidadosamente os materiais em camadas, ajustando as condições de crescimento para ajustar as propriedades da estrutura do skyrmion - "o design e a adaptação do material desempenham um papel enorme em estudos como esses", disse ele - e juntou-se a Roy para examiná-los com Raios-X da Fonte de Luz Avançada.

Enquanto isso, Turner e sua equipe na LCLS estavam desenvolvendo uma nova ferramenta que é como uma câmera para tirar fotos de flutuações em escala atômica em velocidades de obturador extremamente rápidas. Dois pulsos de laser de raios X, cada um com apenas milionésimos de bilionésimo de segundo, atingem uma amostra de milionésimos a bilionésimos de segundo. Os raios X voam para um detector e formam "padrões de manchas", cada um tão único quanto uma impressão digital, que revela mudanças sutis na estrutura complexa do material.

"We use soft X-ray pulses with very low intensity that don't disturb the sample," explained LCLS scientist Matt Seaberg. "This allows us to get two snapshots that reveal the intrinsic fluctuations in the material and how they change in the very short time span between them."

It wasn't long before the LCLS, Berkeley Lab and UC San Diego teams joined forces to aim this new tool at skyrmions.

As Turner put it, "Imagine getting a telescope and choosing where to point it first. Skyrmions seemed like a good choice—exotic magnetic structures with many unknowns about their behavior."

More powerful tools ahead

Based on what they saw in these experiments, "We think that it's basically the interaction between adjacent skyrmions that might be causing their intrinsic oscillations," Seaberg said. "We're still trying to understand that. It's hard to see exactly what is oscillating from the type of measurements we made. We've had a lot of discussions about how we could figure out what's happening and what the signals we measured actually mean."

The specialized instrument they built for these experiments has since been taken apart to make way for other things. But it will be reassembled as part of a new experimental station that's part of a major LCLS upgrade—an ideal place, the team said, for continuing this new class of experiments on fluctuations in materials like superconductors, as well as a fruitful and collaborative scientific journey that Montoya describes as a "joyful ride."

Turner said, "It's remarkable how much we are learning about these kinds of magnetic objects with the special capabilities we have at the LCLS. This project has been a lot of fun. Working with such a great team and with so many things to try, there is literally a treasure trove of information waiting to be uncovered."