Descoberta de estrutura magnética tridimensional avança a spintrônica

Cientistas de uma colaboração internacional entre Suécia, Alemanha, Luxemburgo e China observaram pela primeira vez uma estrutura magnética tridimensional conhecida como hopfion. O objeto é formado por spins eletrônicos que se organizam em laços fechados e interligados no interior de materiais sólidos. A descoberta, publicada na revista Nature Physics, foi possível graças ao uso de pulsos de laser de femtossegundos, cuja duração equivale a milionésimos de bilionésimos de segundo. Esses pulsos empurraram momentaneamente o sistema magnético para fora do equilíbrio, abrindo caminho para estados tridimensionais nunca antes vistos.

O pesquisador Philipp Rybakov, do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Uppsala, na Suécia, e um dos principais autores do estudo, explicou que os hopfions são fascinantes por sua arquitetura interna tridimensional. Eles são objetos feitos de spins que formam laços fechados e vinculados entre si. Uma vez que surgem, mantêm sua forma e são pouco afetados pelo ambiente ao redor, afirmou Rybakov.

Os experimentos foram realizados em filmes finos de germânio-ferro (FeGe), com espessura entre 110 e 200 nanômetros, depositados sobre uma superfície relativamente grande. Os materiais eram iluminados uma vez por segundo com pulsos de laser de femtossegundos. Após cada exposição, os pesquisadores examinavam o estado magnético do material por meio de técnicas avançadas de microscopia eletrônica. O procedimento era repetido sob condições controladas para verificar minuciosamente cada resultado obtido.

Os hopfions magnéticos já haviam sido previstos pela teoria há vários anos, mas enfrentavam uma barreira energética que impedia sua formação espontânea em condições normais. Foi precisamente o disparo ultracurto de luz laser que forneceu a perturbação necessária para que o sistema de spins superasse essa barreira e nucleasse as novas estruturas tridimensionais, conforme relatado pelo portal Phys.org.

Paralelamente aos experimentos físicos, a equipe utilizou simulações computacionais detalhadas com o programa Excalibur, desenvolvido anteriormente pelo próprio Rybakov e adotado pelo grupo de pesquisa. O software modela a evolução de milhões de spins interagentes e sua organização em padrões tridimensionais complexos. Funciona como um gêmeo digital dos experimentos reais, permitindo que teoria e observação fossem confrontadas com alto grau de precisão.

A análise topológica dos estados magnéticos, campo da matemática que estuda propriedades de formas e objetos geométricos que permanecem invariantes sob deformações contínuas, foi liderada por Rybakov. Essa análise constituiu o pilar teórico que permitiu identificar os hopfions como estruturas magnéticas estáveis e distintas. A identificação inequívoca dessas formações exigiu uma correlação rigorosa entre as imagens experimentais das microscopias e os modelos matemáticos que descrevem laços e nós em três dimensões.

Em um estudo paralelo conduzido na instalação SECUF (Synergetic Extreme Condition User Facility), a mesma abordagem baseada em luz laser foi empregada para controlar o magnetismo em outro material quiral. Isso resultou na demonstração dos chamados bimerons, estruturas magnéticas bidimensionais que podem ser consideradas contrapartes planas dos hopfions tridimensionais. Esse trabalho foi publicado na revista Nature Communications e reforçou a conclusão de que pulsos de laser constituem uma ferramenta geral para acessar novos estados magnéticos em materiais diversos, tanto em duas quanto em três dimensões.

A descoberta abre novas perspectivas para o campo da spintrônica, ramo da eletrônica que utiliza o spin do elétron em vez de sua carga elétrica para armazenar e processar informações. Como os

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