Pesquisadores da Universidade de Konstanz descobriram um novo tipo de comutação magnética ultrarrápida, investigando flutuações que normalmente tendem a interferir nos experimentos como ruído.



O ruído no rádio quando a recepção é ruim é um exemplo típico de como as flutuações mascaram um sinal físico. Na verdade, tal interferência ou ruído ocorre em todas as medições físicas, além do sinal real.

“Mesmo no lugar mais solitário do universo, onde não deveria haver nada, ainda existem flutuações no campo eletromagnético”, diz o físico Ulrich Nowak.

No Centro de Pesquisa Colaborativa (CRC) 1432 "Flutuações e Não Linearidades na Matéria Clássica e Quântica além do Equilíbrio" da Universidade de Konstanz, os pesquisadores não veem esse ruído onipresente como um fator perturbador que precisa ser eliminado, mas como uma fonte de informação que nos diz algo sobre o sinal.

Sem efeito magnético, mas flutuações

Esta abordagem já provou ser bem-sucedida na investigação de antiferromagnetos. Antiferromagnetos são materiais magnéticos nos quais as magnetizações de várias sub-redes se cancelam. No entanto, os isoladores antiferromagnéticos são considerados promissores para componentes energeticamente eficientes no campo da tecnologia da informação. Como quase não possuem campos magnéticos no exterior, são muito difíceis de caracterizar fisicamente. No entanto, os antiferromagnetos estão rodeados por flutuações magnéticas, o que pode nos dizer muito sobre este material fracamente magnético.

Com este espírito, os grupos dos dois cientistas de materiais Ulrich Nowak e Sebastian Gönnenwein analisaram as flutuações dos materiais antiferromagnéticos no contexto do CRC. O fator decisivo no seu estudo teórico e experimental, publicado recentemente na revista Nature Communications , era a faixa de frequência específica.

“Medimos flutuações muito rápidas e desenvolvemos um método com o qual as flutuações ainda podem ser detectadas na escala de tempo ultracurta de femtossegundos”, diz o físico experimental Gönnenwein. Um femtossegundo é um milionésimo de bilionésimo de segundo.

Nova abordagem experimental para escalas de tempo ultrarrápidas

Em escalas de tempo mais lentas, pode-se usar componentes eletrônicos rápidos o suficiente para medir essas flutuações. Em escalas de tempo ultrarrápidas, isto já não funciona, razão pela qual uma nova abordagem experimental teve de ser desenvolvida. Baseia-se numa ideia do grupo de investigação de Alfred Leitenstorfer, que também é membro do Collaborative Research Center. Empregando tecnologia laser, os pesquisadores utilizam sequências de pulsos ou pares de pulsos para obter informações sobre flutuações.

Inicialmente, esta abordagem de medição foi desenvolvida para investigar flutuações quânticas e agora foi estendida a flutuações em sistemas magnéticos. Takayuki Kurihara, da Universidade de Tóquio, desempenhou um papel fundamental neste desenvolvimento como terceiro parceiro de cooperação. Foi membro do grupo de pesquisa Leitenstorfer e do Zukunftskolleg da Universidade de Konstanz de 2018 a 2020.

Detecção de flutuações usando pulsos de luz ultracurtos

No experimento, dois pulsos de luz ultracurtos são transmitidos através do ímã com um atraso de tempo, testando as propriedades magnéticas durante o tempo de trânsito de cada pulso, respectivamente. Os pulsos de luz são então verificados quanto à similaridade usando eletrônicos sofisticados. O primeiro pulso serve como referência, o segundo contém informações sobre o quanto o antiferromagneto mudou no tempo entre o primeiro e o segundo pulso. Diferentes resultados de medição nos dois momentos confirmam as flutuações. O grupo de pesquisa de Nowak também modelou o experimento em elaboradas simulações computacionais para melhor compreender seus resultados.

Um resultado inesperado foi a descoberta do que é conhecido como ruído telegráfico em escalas de tempo ultracurtas. Isto significa que não há apenas ruído não classificado, mas também flutuações nas quais o sistema alterna entre dois estados bem definidos. Essa comutação rápida e puramente aleatória nunca foi observada antes e pode ser interessante para aplicações como geradores de números aleatórios. De qualquer forma, as novas possibilidades metodológicas para analisar flutuações em escalas de tempo ultracurtas oferecem um grande potencial para novas descobertas no campo dos materiais funcionais.

Mais informações: M. A. Weiss et al, Descoberta de comutação espontânea ultrarrápida de spin em um antiferromagneto por espectroscopia de correlação de ruído de femtosegundo, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43318-8
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Konstanz