Equipe descobre ressonância de Fermi magnon-fônon em um antiferromagneto

Em breve, espera-se que os data storage centers consumam quase 10% da geração de energia do mundo. Esse aumento é, entre outras coisas, devido às limitações intrínsecas dos materiais usados ​​— ferromagnetos. Consequentemente, esse problema desencadeou uma busca por materiais mais rápidos e com maior eficiência energética.

Um dos caminhos mais encorajadores são os antiferromagnetos — materiais que não só prometem operações de leitura e gravação mais robustas e 1.000 vezes mais rápidas, mas também são mais abundantes do que suas contrapartes ferromagnéticas. Entender e controlar esses materiais quânticos é essencial para o avanço de tecnologias futuras. Uma equipe de pesquisa internacional agora relata um grande passo à frente nesse esforço.

A interação entre spins e a rede cristalina de um material é essencial em aplicações spintrônicas, pois elas usam spin — o momento magnético do elétron — para escrever informações em bits magnéticos. Em materiais ferromagnéticos, esses spins interagem fortemente, criando um efeito cascata conhecido como onda de spin, que pode viajar através do material.

As ondas de spin são emocionantes porque podem transportar informações sem mover elétrons, diferentemente das correntes elétricas nos chips de computador de hoje, o que significa que menos calor é produzido. E assim como a luz pode ser pensada como partículas quantizadas chamadas fótons, as ondas de spin têm suas próprias quasipartículas chamadas magnons.

Por outro lado, quando átomos na rede de um material vibram uniformemente, esse movimento é descrito por quasipartículas chamadas fônons.

A pesquisa da equipe se concentrou no material antiferromagnético difluoreto de cobalto (CoF₂) onde magnons e fônons coexistem. Neste material, spins vizinhos são alinhados antiparalelamente, permitindo uma dinâmica de spin mil vezes mais rápida do que em materiais ferromagnéticos convencionais.

Esse avanço pode levar a uma escrita de bits de dados mais rápida e com maior eficiência energética. Cientistas excitam essas dinâmicas de spin ao se acoplar com pulsos de luz em frequências de terahertz.

Além disso, a chamada ressonância de Fermi, descrita pela primeira vez há quase um século no dióxido de carbono, ocorre no nível atômico e molecular quando dois modos vibracionais causados ​​pela absorção de energia térmica interagem e um tem o dobro da frequência do outro. O princípio da ressonância de Fermi foi estendido até agora para sistemas magnônicos ou fonônicos.

Neste trabalho, no entanto, os cientistas alcançaram, pela primeira vez, um forte acoplamento entre o spin e a rede cristalina que constitui uma transferência mútua de energia entre esses subsistemas de um material antiferromagneticamente ordenado. A pesquisa é publicada em Comunicações da Natureza.

Magnons e fônons em sincronia

Neste projeto, cientistas experimentais e teóricos de matéria condensada do Institute for Molecules and Materials (IMM) da Radboud University, do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), da University of Cologne e do Ioffe Institute, revelaram um novo canal de transferência de energia entre magnons e fônons em um antiferromagneto sob a condição de ressonância de Fermi. Isso pode permitir o controle futuro de tais sistemas antiferromagnéticos para armazenamento de dados mais rápido e com maior eficiência energética.

Usando a fonte THz superradiante intensa e espectralmente brilhante baseada em acelerador no ELBE Center for High-Power Radiation Sources do HZDR, os pesquisadores excitaram seletivamente a ressonância de spin antiferromagnética e ajustaram sua frequência central por alto campo magnético externo até vários Tesla. Essa configuração permitiu que eles ajustassem as frequências de ressonância de spin para metade da frequência de vibração da rede, cumprindo a condição de ressonância de Fermi.

Os pesquisadores encontraram um novo regime de dinâmica magnon-fônon acoplada que permite a troca de energia entre esses dois subsistemas na ressonância de Fermi. Ao ajustar as frequências dos magnons, os pesquisadores podem controlar esse processo e, em particular, aprimorar o acoplamento magnon-fônon.

Este novo regime foi observado como uma ampliação dos espectros de fônons e uma redistribuição assimétrica do peso espectral do fônon. Por fim, seus resultados sugerem um estado hibridizado de dois-magnons-um-fônons. Seu trabalho pode ser importante nos campos da magnônica e da fonônica, onde o controle coerente de energia desempenha um papel central.

Funcionalidades inovadoras no armazenamento de dados do futuro

Os resultados da pesquisa oferecem um caminho para manipular o acoplamento spin-lattice sob demanda. Primeiro, isso permite um aumento considerável na frequência operacional da taxa convencional de GHz oferecida por materiais ferromagnéticos até a escala THz em materiais antiferromagnéticos. Segundo, isso pode aumentar significativamente a eficiência da escrita magnética, o que, por sua vez, reduzirá a quantidade mínima de energia necessária para operações de escrita de bits, reduzindo consideravelmente o consumo total de energia.

Portanto, os resultados propõem uma maneira inovadora de controlar a dinâmica de antiferromagnetos, levando a tecnologias de armazenamento de dados conceitualmente novas com base em tais materiais. Em estudos futuros, a equipe de pesquisa pretende explorar se a condição de ressonância de Fermi pode ser expandida para controlar outros novos materiais quânticos, potencialmente levando ao avanço da ciência e tecnologia de materiais.