Salto tecnológico pode estar a um hópfion de distância

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/04/2021

Representação artística da rotação 3D característica de um hópfion magnético em formato de anel.
[Imagem: Peter Fischer/Frances Hellman/Berkeley Lab]

Dos skyrmions aos hópfions

Uma década atrás, a descoberta de quasipartículas chamadas skyrmions magnéticos forneceu novas ferramentas para a spintrônica, uma nova classe de eletrônica que usa a orientação do spin de um elétron, em vez de sua carga, para codificar dados.

Skyrmions são formados na superfície de alguns materiais quando os spins dos elétrons - imagine uma seta ao redor da qual cada elétron gira - se organizam coletivamente, formando um vórtice magnético. Como um vórtice pode girar num sentido ou noutro, os cientistas logo tiveram a ideia de usá-los para guardar dados, sendo 0 um sentido e 1 o outro.

Embora tenham sido feitos muitos progressos nesses dez anos, os físicos ainda não entendem perfeitamente como projetar materiais spintrônicos que permitam usar os skyrmions de forma prática - na teoria eles são ultraminiaturizados, ultrarrápidos e consomem pouquíssima energia.

Inicialmente, parecia que os skyrmions eram meramente superficiais, ou seja, objetos 2D. Os experimentos, contudo, começaram a mostrar que os skyrmions 2D poderiam gerar um padrão de rotação 3D, que passou a ser chamado hópfion, em homenagem ao matemático Heinz Hopf [1894-1971].

Mas ninguém até agora havia sido capaz de provar experimentalmente que os hópfions magnéticos de fato existem.

Hópfions saem da teoria

Noah Kent e uma equipe de várias instituições acaba de conseguir exatamente isso: a primeira demonstração e observação de hópfions 3D emergindo de skyrmions em nanoescala em um material magnético.

Os pesquisadores afirmam que sua descoberta abre o caminho para a construção de memórias magnéticas de alta densidade, alta velocidade e baixo consumo de energia, além de serem ultraestáveis, tudo explorando o poder intrínseco do spin de elétrons individuais.

"Nós não apenas provamos que existem de fato texturas de spin complexas [manifestando-se] como hópfions 3D; nós também demonstramos como estudá-las e, portanto, como tirar proveito deles," disse o professor Peter Fischer, dos Laboratórios Berkeley. "Para entender como os hópfions realmente funcionam, temos que saber como produzi-los e como estudá-los."

De acordo com estudos anteriores, ao contrário dos skyrmions, os hópfions, não derivam - não saem da estrada - quando se movem ao longo de um material, o que os torna excelentes candidatos para tecnologias de transporte dados.

Mapeamento do hópfion no interior de uma estrutura semicondutora multicamada.
[Imagem: Noah Kent et al. - 10.1038/s41467-021-21846-5]

Hópfions

Enquanto os skyrmions são descritos como redomoinhos magnéticos superficiais, os hópfions são tridimensionais e podem ter o formato de anel, elo ou até de um nó.

Na verdade, eles são sólitons enrolados sobre si mesmos - o nome hópfion é uma contração de sóliton de Hopf -, lembrando que um sóliton é uma onda muito estável, que não se desmancha facilmente, não perdendo sua energia e nem o seu formato.

Dos sólitons, os hópfions herdam a resiliência, não podendo ser facilmente "desenrolados" em suas ondas originais, o que indica que eles poderão ser guardadores de dados muito resistentes.

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