Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) desenvolveu um novo método para o acoplamento eficiente de ondas terahertz com comprimentos de onda muito mais curtos, as chamadas ondas de spin. Como relatam os especialistas na revista física da natureza, seus experimentos, em combinação com modelos teóricos, esclarecem os mecanismos fundamentais desse processo antes considerado impossível. Os resultados são um passo importante para o desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em rotação que economizam energia para processamento de dados.
“Fomos capazes de excitar com eficiência ondas de spin de alta energia usando luz terahertz em um sistema de material semelhante a um sanduíche que consiste em dois filmes de metal com alguns nanômetros de espessura, com uma camada ferromagnética imprensada entre eles”, disse o Dr. Sergey Kovalev, do Instituto de Radiation Physics em HZDR, onde os experimentos foram conduzidos. Os elétrons têm um spin efetivo que se comporta como um pião. E como um giroscópio, uma perturbação externa pode inclinar o eixo de rotação do spin: um movimento giroscópico, chamado de precessão, segue o exemplo. Em materiais ferromagnéticos, há uma interação muito forte entre os spins dos elétrons e, como resultado, uma precessão iniciada localmente continua na forma de uma onda de spin em toda a camada de material ferromagnético. Isso é interessante porque uma onda de spin – como qualquer onda – pode ser usada como portadora de informações. Enquanto cada spin do elétron está em movimento, nos ferromagnetos considerados ele permanece em sua posição na rede atômica, portanto não há fluxo de corrente envolvido. Portanto, ao contrário dos chips de computador de hoje, não há perdas de calor devido a correntes em dispositivos baseados em spin.
Convenientemente, as frequências características das ondas de spin de alta energia estão na faixa de terahertz. Esta é exatamente a faixa alvo para novas tecnologias ultrarrápidas para transmissão e processamento de dados. O acoplamento da tecnologia óptica de terahertz com dispositivos baseados em spin pode, portanto, permitir conceitos completamente novos e eficientes para tecnologias de TI.
Problema: Comunicação entre diferentes tipos de ondas
Semelhante à luz, que também pode ser descrita em termos de partículas individuais chamadas fótons, as energias das ondas de spin são quantizadas e os quanta das ondas de spin são chamados de magnons. Magnons e fótons terahertz têm as mesmas energias e devem, portanto, ser facilmente conversíveis entre si. Mas há um problema no meio do caminho: a velocidade completamente diferente dos dois fenômenos ondulatórios. As ondas Terahertz viajam como radiação eletromagnética na velocidade da luz, enquanto as ondas de spin estão ligadas à existência de spins interativos. Sua velocidade de propagação é centenas de vezes mais lenta que a da luz. E enquanto as ondas de terahertz têm um comprimento de onda ligeiramente inferior a um milímetro, o comprimento de onda das ondas de spin, por outro lado, está na faixa de apenas alguns nanômetros. Como resultado, a onda de terahertz não tem chance de transferir sua energia especificamente e diretamente para uma onda de rotação muito mais lenta.
Para resolver esse problema, os pesquisadores criaram uma combinação de camadas metálicas extremamente finas de tântalo e platina, no meio das quais inseriram uma fina camada de uma liga ferromagnética de níquel-ferro. Essa combinação de materiais é ajustada com precisão para “traduzir” sinais do mundo da luz para o mundo dos spins.
Da luz ao giro em muitos passos
Eles desenvolveram e produziram seu material de camada funcional no HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. Para fazer isso, eles gradualmente vaporizam filmes de metal depositados em um substrato de vidro fino. “No experimento, bombardeamos as amostras com pulsos intensos de terahertz e medimos sua magnetização de rápida variação no tempo com pulsos de laser óptico. Encontramos oscilações características da magnetização, mesmo nos momentos em que o pulso excitante de terahertz não estava mais interagindo com a amostra nada”, explica Kovalev. “Nós variamos muitos fatores, como campos magnéticos externos e diferentes composições de materiais das camadas, até que pudéssemos mostrar com segurança que essas eram de fato as ondas de spin que procurávamos”, diz o companheiro de equipe Dr. Ruslan Salikhov, que está trabalhando em novos materiais magnéticos.
Para essa transformação de uma onda eletromagnética em uma onda de spin, a equipe aproveitou toda uma gama de diferentes efeitos quânticos. Falando figurativamente, esses efeitos garantem que a onda de terahertz e a onda de spin se entendam. Primeiro, a radiação terahertz acelera os elétrons livres no metal pesado, permitindo a formação de correntes microscópicas. Essas correntes são convertidas em correntes de spin pelo chamado efeito Hall de spin, ou seja, correntes de elétrons que têm apenas uma orientação de spin muito específica e, portanto, podem transportar o momento angular resultante no espaço local. Nas interfaces entre o metal pesado e o ferroímã, esse momento angular exerce um torque nos spins do ferroímã. Esse torque fornece precisamente a perturbação que leva à formação de ondas de spin.
Comparando diferentes amostras, os cientistas agora conseguiram mostrar que o próprio campo terahertz não é capaz de gerar ondas de spin diretamente. Só o desvio leva ao sucesso. Eles foram, portanto, capazes de confirmar as previsões teóricas sobre a eficiência dos torques spin-órbita em escalas de tempo de picossegundos. O novo sistema de amostra, portanto, funciona como uma fonte de ondas de spin acionada por terahertz que poderia, em princípio, ser facilmente integrada em circuitos. Este trabalho é um passo importante para o uso da tecnologia terahertz em novos componentes eletrônicos. Ao mesmo tempo, o método demonstrado abre novas possibilidades para a caracterização sem contato de dispositivos baseados em spin.
Com informações de Science Daily.
