Bits de vórtices magnéticos agora podem ser controlados

Com informações do PSI - 09/10/2020

Os skyrmions podem ser úteis tanto para a computação tradicional quanto para a computação quântica.
[Imagem: Paul Scherrer Institute/Diego Rosales]

Skyrmions

Os vórtices magnéticos em nanoescala, conhecidos como skyrmions, podem ser criados em muitos materiais magnéticos.

Eles têm sido objeto de pesquisas intensas desde a demonstração prática desses vórtices magnéticos, em 2011, porque representam um passo importante para o desenvolvimento de computadores mais eficientes e meios de armazenamento de dados de maior densidade.

Agora, pela primeira vez, físicos suíços conseguiram criar e identificar skyrmions antiferromagnéticos com uma propriedade única: os elementos críticos dentro deles estão dispostos em direções opostas, o que facilita muito sua manipulação.

Vórtices magnéticos

O magnetismo de um material é magnético depende dos spins dos seus átomos - a maneira mais simples de imaginar os spins é como imãs de barras minúsculas. Em uma estrutura cristalina, quando os átomos têm posições fixas em uma rede, esses spins podem ser dispostos em cruz ou alinhados em paralelo, dependendo do material e do seu estado, deixando o material magnético ou não.

Sob certas condições, é possível ainda gerar pequenos vórtices com os spins - são estes vórtices que são conhecidos como skyrmions.

Eles são muito interessantes porque, por exemplo, poderiam ser usados como bits de memória: um skyrmion poderia representar o dígito 1, enquanto sua ausência poderia ser um 0 digital. Como os skyrmions são significativamente menores do que os bits usados nas mídias de armazenamento atuais, a densidade dos dados pode ser muito maior e potencialmente mais eficiente em termos de energia, enquanto as operações de leitura e gravação também seriam mais rápidas. Assim, os skyrmions podem ser úteis tanto no processamento clássico de dados quanto na computação quântica.

Outro aspecto interessante para sua aplicação prática é que skyrmions podem ser criados e controlados em muitos materiais pela aplicação de uma corrente elétrica. "Com os skyrmions existentes, no entanto, é complicado movê-los sistematicamente de A para B, uma vez que eles tendem a se desviar de um caminho reto devido às suas propriedades inerentes," explicou a professora Oksana Zaharko, do Instituto Paul Scherrer, na Suíça.

Visualização dos skyrmions por espalhamento de nêutrons.
[Imagem: Shang Gao et al. - 10.1038/s41586-020-2716-8]

Skyrmions antiferromagnéticos

A novidade é que a equipe da professora Zaharko acaba de criar um novo tipo de skyrmion que apresenta uma característica única: em seu interior, os spins críticos para a existência do vórtice são dispostos em direções opostas entre si. Por isso a equipe descreve seus skyrmions como antiferromagnéticos.

"Antiferromagnético significa que spins adjacentes estão em um arranjo antiparalelo, em outras palavras, um apontando para cima e o próximo apontando para baixo. Portanto, o que foi inicialmente observado como uma propriedade do material, posteriormente identificamos dentro dos skyrmions individuais também," contou Zaharko.

E isto tem uma importância crucial para a manipulação desses vórtices magnéticos.

"Uma das vantagens chave dos skyrmions antiferromagnéticos é que eles são muito mais simples de controlar: Se uma corrente elétrica for aplicada, eles se movem em uma linha reta simples," explicou Zaharko.

Esta é realmente uma grande vantagem: Para que os skyrmions sejam adequados para aplicações práticas, deve ser possível manipulá-los e posicioná-los seletivamente.

Esquema dos skyrmions antiferromagnéticos.
[Imagem: Shang Gao et al. - 10.1038/s41586-020-2716-8]

Uso prático dos skyrmions

Mas ainda estamos longe de ver um computador ou um disco rígido calculando ou armazenando bits de skyrmions.

Os pesquisadores fizeram suas observações a cerca de -272 ºC e usando um campo magnético extremamente forte, de três teslas. E, assim como nos primeiros experimentos de uma década atrás, os skyrmions antiferromagnéticos são criados em longas fileiras, e não individualmente.

Mas a equipe está otimista: "Na minha experiência, se conseguirmos criar skyrmions em um alinhamento regular, alguém logo conseguirá criar esses skyrmions individualmente," disse Zaharko.

O consenso geral na comunidade de pesquisa é que, uma vez que skyrmions antiferromagnéticos individuais possam ser criados à temperatura ambiente, uma aplicação prática não estará distante.

Mais tópicos