Observação de hópfions em cristais pode levar tecnologia de 2D para 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/11/2023

Estrutura de um hópfion em formato de anel.
[Imagem: Philipp Rybakov/Uppsala University]

Hópfions

Uma equipe de físicos da Alemanha, China e Suécia obteve a evidência experimental definitiva - a primeira em materiais naturais - da existência dos hópfions, estruturas magnéticas previstas teoricamente décadas atrás e que tem potencial para dar um salto tecnológico na computação e no armazenamento de dados.

"Nossos resultados são importantes tanto do ponto de vista fundamental quanto do aplicado, uma vez que surgiu uma nova ponte entre a física experimental e a teoria matemática abstrata, potencialmente levando os hópfions a encontrar uma aplicação na spintrônica," disse o professor Philipp Rybakov, da Universidade de Uppsala, na Suécia.

Há cerca de 10 anos, 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.

Os skyrmions são formados na superfície de alguns materiais quando os spins dos elétrons se organizam coletivamente, formando uma espécie de redemoinho magnético. Como um redemoinho 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.

Mas os hópfions são muito mais interessante sobretudo porque, enquanto os skyrmions são estruturas 2D, os hópfions são estruturas 3D, podendo ter o formato de anel, elo ou até de um nó. E esse grau adicional de liberdade pode fazer toda a diferença nas aplicações tecnológicas.

Tecnicamente, os hópfions 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. Isso significa que eles podem ser bits magnéticos muito resistentes a interferências de qualquer tipo.

Estruturas dos hópfions e suas imagens diretas obtidas por holografia (embaixo).
[Imagem: Fengshan Zheng et al. - 10.1038/s41586-023-06658-5]

Levar a tecnologia de 2D para 3D

Apesar da extensa pesquisa nos últimos anos, a observação direta de hópfions magnéticos só havia sido relatada em materiais sintéticos. Esta é a primeira evidência experimental desses estados estabilizados em um cristal (FeGe), o que foi feito usando microscopia eletrônica de transmissão e holografia.

Como ambas as técnicas de observação estão presentes na maioria dos laboratórios, os dados são altamente reprodutíveis - eles de fato estão em total concordância com as teorias e as simulações computadorizadas.

Estes resultados abrem novos campos de pesquisa na física experimental, incluindo procurar outros cristais nos quais os hópfions são estáveis, estudar como eles interagem com as correntes elétricas e de spin, descobrir qual é a dinâmica dos hópfions e muito mais.

"Como o objeto é novo e muitas das suas propriedades interessantes ainda precisam ser descobertas, é difícil fazer previsões sobre aplicações spintrônicas específicas. No entanto, podemos especular que os hópfions podem ser do maior interesse ao passar para a terceira dimensão quase qualquer tecnologia sendo desenvolvida com skyrmions magnéticos: memória de pista [racetrack], computação neuromórfica e qubits. Comparados aos skyrmions, os hópfions têm um grau adicional de liberdade devido à tridimensionalidade e, portanto, podem se mover em três em vez de duas dimensões," explicou Rybakov.

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