À medida que a procura por recursos informáticos continua a aumentar rapidamente, os cientistas e engenheiros procuram formas de construir sistemas mais rápidos para o processamento de informação. Uma solução possível é usar padrões de spins de elétrons, chamados ondas de spin, para transferir e processar informações muito mais rapidamente do que em computadores convencionais. Até agora, um grande desafio tem sido manipular essas ondas de spin ultrarrápidas para realizar um trabalho útil.



Num avanço significativo, investigadores da Universidade do Texas em Austin e do MIT desenvolveram um método pioneiro para manipular com precisão estas ondas de spin ultrarrápidas usando impulsos de luz personalizados. Suas descobertas são detalhadas em dois estudos na Nature Physics , liderado pelo estudante de pós-graduação do MIT Zhuquan Zhang, pelo pesquisador de pós-doutorado da Universidade do Texas em Austin Frank Gao, pelo professor de química do MIT Keith Nelson e pelo professor assistente de física da UT Austin Edoardo Baldini.

Um componente-chave subjacente aos nossos smartphones, à Internet e à computação em nuvem é a tecnologia de gravação magnética de dados para armazenar e recuperar grandes quantidades de informação. Esta tecnologia depende da manipulação dos estados de spin magnético (para cima e para baixo) em materiais ferromagnéticos, representando os bits binários “0” e “1”. Esses spins são ímãs minúsculos, cujo alinhamento determina as propriedades magnéticas do material.

Quando os pesquisadores atingem um conjunto de átomos nesses materiais com luz, isso faz com que seus spins oscilem em um padrão que se espalha pelos átomos vizinhos como ondas em um lago quando uma pedra cai.

Ao contrário destes materiais convencionais de armazenamento de dados, uma classe especial de materiais magnéticos conhecidos como antiferromagnetos apresentam spins alinhados em direções opostas. As ondas de spin nesses materiais são normalmente muito mais rápidas do que suas contrapartes em ferromagnetos e, portanto, têm potencial para arquiteturas futuras para processamento de informações em alta velocidade.

Os pesquisadores experimentaram um antiferromagneto conhecido como ortoferrita. Este material hospeda um par de ondas de spin distintas que geralmente não se comunicam. Ao empregar luz terahertz (THz), que é invisível ao olho humano em frequências infravermelhas extremas, os pesquisadores conseguiram fazer com que essas ondas de spin interagissem.

Em um artigo, eles mostraram que o uso de campos THz intensos para excitar uma onda de spin em uma determinada frequência pode iniciar outra onda de spin em uma frequência mais alta, semelhante aos tons harmônicos que surgem naturalmente quando uma corda de violão é tocada.

“Isso realmente nos surpreendeu”, disse Zhang. "Isso significava que poderíamos controlar de forma não linear o fluxo de energia dentro desses sistemas magnéticos."

No outro artigo, eles descobriram que a excitação de duas ondas de spin diferentes pode resultar em uma nova onda de spin híbrida. Baldini disse que isso é particularmente emocionante porque poderia ajudar a levar a tecnologia da spintrônica para um novo domínio chamado magnônica. Na spintrônica, a informação é transportada no spin de elétrons individuais. Na magnônica, a informação é transportada em ondas de spin (também conhecidas como magnons).

"Aqui, ao contrário da spintrônica, você está usando esse tipo coletivo de ondas de spin que envolvem muitos, muitos spins de elétrons simultaneamente", disse Baldini. "Isso pode levar você a escalas de tempo extremamente rápidas que não são alcançáveis ​​na spintrônica e também movimentar informações de maneira mais eficiente."

Para realizar este trabalho inovador, os investigadores desenvolveram um espectrómetro sofisticado para descobrir o acoplamento mútuo entre ondas de spin distintas e revelar as suas simetrias subjacentes.

“Ao contrário da luz visível que pode ser facilmente vista a olho nu, a luz THz é difícil de detectar”, disse Gao. "De outra forma, esses experimentos seriam impossíveis sem o desenvolvimento da técnica, que nos permitiu medir sinais THz com apenas um único pulso de luz."

Mais informações: Zhuquan Zhang et al, conversão ascendente de magnon orientada por campo Terahertz em um antiferromagneto, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02350-7
Zhuquan Zhang et al, acoplamento não linear induzido por campo Terahertz de dois modos magnon em um antiferromagneto, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02386-3

Fornecido pela Universidade do Texas em Austin