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Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Riverside, fez um avanço significativo em como permitir e explorar o comportamento de rotação ultrarrápido em ferromagnetos. A pesquisa, publicada em Cartas de revisão física e destacado como sugestão dos editores, abre caminho para aplicações de frequência ultra-alta.
Os smartphones e computadores atuais operam em frequências gigahertz, uma medida da rapidez com que operam, e os cientistas trabalham para torná-los ainda mais rápidos. A nova pesquisa encontrou uma maneira de atingir frequências terahertz usando ferromagnetos convencionais, o que poderia levar a tecnologias de comunicação e computação de próxima geração que operam mil vezes mais rápido.
Ferromagnetos são materiais onde os spins dos elétrons se alinham na mesma direção, mas esses spins também oscilam nessa direção, criando “ondas de spin”. Estas ondas de spin são cruciais para as tecnologias informáticas emergentes, desempenhando um papel fundamental no processamento de informações e sinais.
“Quando os spins oscilam, eles experimentam atrito devido às interações com os elétrons e a rede cristalina do ferromagneto”, disse Igor Barsukov, professor associado de física e astronomia, que liderou o estudo. “Curiosamente, essas interações também fazem com que os spins adquiram inércia, levando a um tipo adicional de oscilação de spin chamado nutação.”
Barsukov explicou que a nutação ocorre em frequências ultra-altas, tornando-a altamente desejável para futuras tecnologias de computação e comunicação. Recentemente, a confirmação experimental das oscilações nutacionais por físicos entusiasmou a comunidade de pesquisa em magnetismo, disse ele.
“As aplicações spintrônicas modernas manipulam os spins usando correntes de spin injetadas no ímã”, disse Rodolfo Rodriguez, o primeiro autor do artigo, um ex-aluno de pós-graduação do Grupo Barsukov e agora cientista do HRL Labs, LLC.
Barsukov e sua equipe descobriram que injetar uma corrente de spin com o sinal “errado” pode excitar auto-oscilações nutacionais.
“Essas oscilações autossustentadas são uma grande promessa para as tecnologias de computação e comunicação da próxima geração”, disse a coautora Allison Tossounian, até recentemente uma estudante de graduação no Grupo Barsukov.
De acordo com Barsukov, a inércia de spin introduz uma segunda derivada do tempo na equação do movimento, tornando alguns fenômenos contra-intuitivos.
“Conseguimos harmonizar a dinâmica impulsionada pela corrente de spin e a inércia de spin”, disse ele. “Também encontramos um isomorfismo, um paralelo, entre a dinâmica de spin em ferromagnetos e ferrimagnetos, o que poderia acelerar a inovação tecnológica ao explorar sinergias entre esses campos.”
Em ferrimagnetos, geralmente duas redes de spin antiparalelas têm uma quantidade de spin desigual. Materiais com redes de spin antiparalelas receberam recentemente interesse crescente como candidatos para aplicações ultrarrápidas, disse Barsukov.
“Mas muitos desafios tecnológicos permanecem”, disse ele. “Nossa compreensão das correntes de spin e da engenharia de materiais para ferromagnetos avançou significativamente nas últimas décadas. Juntamente com a recente confirmação da nutação, vimos uma oportunidade para os ferromagnetos se tornarem excelentes candidatos para aplicações de frequência ultra-alta. Nosso estudo prepara o palco por esforços concertados para explorar materiais ideais e projetar arquiteturas eficientes para permitir dispositivos terahertz.”
O título do artigo é “Inércia de spin e oscilações automáticas em ferromagnetos”.
O estudo foi apoiado pela National Science Foundation.
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