Na natureza, o movimento coletivo de algumas aves e peixes, como bandos de estorninhos e cardumes de sardinhas, respectivamente, pode gerar fenômenos dinâmicos impressionantes. Seu estudo constitui a ciência da matéria ativa, que tem sido um tema de grande interesse nas últimas três décadas.



A dinâmica coletiva única da matéria ativa é governada pelo movimento de cada entidade individual, pelas interações entre elas, bem como pela sua interação com o ambiente.

Estudos recentes mostram que algumas moléculas e bactérias autopropelidas apresentam movimento circular com uma quiralidade fixa (a propriedade de um objeto onde não pode ser sobreposto à sua imagem espelhada através de qualquer número de rotações ou translações), o que pode permitir a seleção de moléculas e bactérias com quiralidade específica baseada em sua dinâmica. No entanto, há uma falta de pesquisas sobre objetos semelhantes a matéria ativa em materiais magnéticos e ferroelétricos não biológicos para aplicações em dispositivos eletrônicos.

A este respeito, os skyrmions quirais são promissores. São um tipo especial de texturas de spin em materiais magnéticos com interações de troca assimétricas, que podem ser tratadas como quase-partículas. Eles carregam cargas topológicas inteiras e têm uma quiralidade fixa de +1 ou -1.

Recentemente, um grupo de cientistas, liderado pelo Professor Masahito Mochizuki do Departamento de Física Aplicada da Universidade Waseda e incluindo o Dr. Xichao Zhang da Universidade Waseda e o Professor Xiaoxi Liu da Universidade Shinshu, estudou extensivamente o comportamento da matéria ativa dos skyrmions quirais. O artigo deles foi publicado na revista Nano Letters .

Neste estudo, os cientistas colocaram skyrmions quirais dentro de obstáculos de nanoestruturas quirais na forma de uma simples flor quiral. Eles então estudaram a dinâmica do passeio aleatório do skyrmion termicamente ativado interagindo com o obstáculo quiral semelhante a uma flor em uma camada ferromagnética, o que poderia criar resultados dependentes da topologia.

"Nossa pesquisa demonstra pela primeira vez que os skyrmions quirais magnéticos exibem comportamentos ativos semelhantes aos da matéria, embora sejam de origem não biológica e até mesmo padrões espaciais meramente intangíveis", diz o Prof.

O skyrmion com quiralidade de -1 tem potencial para deixar uma flor quiral esquerda, e o skyrmion com quiralidade +1 tem potencial para deixar uma flor quiral direita. Os pesquisadores realizaram uma série de simulações para observar como os skyrmions se comportariam em ambos os casos em diferentes temperaturas:100 K, 150 K, 180 K e 200 K.

Eles definiram o tempo de simulação como 500 ns, com um intervalo de tempo de 0,5 ns. A equipe descobriu que dependendo da combinação de variáveis, o skyrmion permanece dentro do obstáculo ou escapa dele. Como o movimento do skyrmion é devido ao movimento browniano dependente da temperatura, que é de natureza desordenada, este é um caso interessante de obtenção de um resultado ordenado através do movimento desordenado. Notavelmente, este sistema pode ser usado para desenvolver um dispositivo de classificação topológica.

Quando questionado sobre as implicações de seu trabalho a longo prazo, o Prof. Liu comenta:"Nossos resultados de pesquisa podem ser úteis para a construção de futuros dispositivos de processamento e computação de informações com alta densidade de armazenamento e baixo consumo de energia."

"No longo prazo, eles podem fornecer diretrizes para o projeto e desenvolvimento de hardware eletrônico e spintrônico não convencional, onde a informação é transportada por texturas de spin topológicas em nanoestruturas. Espera-se que essa conquista melhore a vida das pessoas, pois elas seriam capazes de processar informações de maneira eficiente em termos energéticos, levando a uma sociedade mais verde", conclui o Dr. Zhang.

Mais informações: Xichao Zhang et al, Chiral Skyrmions interagindo com flores quirais, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03792
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido pela Universidade Waseda