Terahertz: A Próxima Fronteira da Tecnologia, Impulsionada por Ferromagnetos

Nova pesquisa descobriu uma maneira de alcançar frequências de terahertz usando ferromagnéticos convencionais, o que poderia levar à próxima geração de tecnologias de comunicação e computação operando mil vezes mais rápido. Pesquisa, publicada na Physical Review Letters e destacada como sugestão dos editores, abre caminho para aplicações de frequência ultra-alta. Smartphones e computadores atuais operam em frequências de gigahertz, uma medida de sua velocidade de processamento. A pesquisa liderada por cientistas da Universidade da Califórnia, Riverside, fez um avanço significativo para explorar o comportamento ultrarrápido do spin em ferromagnéticos. O objetivo dos cientistas é torná-los ainda mais rápidos.  Os ferromagnéticos são materiais onde os spins dos elétrons se alinham na mesma direção, mas esses spins também oscilam em torno dessa direção, criando “ondas de spin”.

Essas ondas de spin são cruciais para tecnologias de computação emergentes, desempenhando um papel fundamental no processamento de informações e sinais. “Quando os spins oscilam, eles sofrem fricção devido às interações com os elétrons e a rede cristalina do ferromagnético”, 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 do spin chamada nutação.” Ele explicou que a nutação ocorre em frequências ultra-altas, tornando-a altamente desejável para futuras tecnologias de computação e comunicação. Recentemente, a confirmação experimental pelos físicos das oscilações nutacionais empolgou a comunidade de pesquisa do magnetismo, disse ele. “As aplicações espintrônicas modernas manipulam os spins usando correntes de spin injetadas no magneto”, disse Rodolfo Rodriguez, primeiro autor do artigo, ex-aluno de graduação do Grupo Barsukov e atualmente cientista na HRL Labs, LLC.

Ele e sua equipe descobriram que injetar uma corrente de spin com o sinal “incorreto” pode excitar auto-oscilações nutacionais. “Essas oscilações autossustentáveis são promissoras para tecnologias de computação e comunicação de próxima geração”, disse a coautora Allison Tossounian, até recentemente estudante de graduação no Grupo Barsukov. De acordo com ele, a inércia do spin introduz uma segunda derivada do tempo na equação do movimento, tornando alguns fenômenos contraintuitivos. “Conseguimos harmonizar a dinâmica acionada pela corrente de spin e a inércia do spin”, disse ele. “Também encontramos um isomorfismo, um paralelo, entre a dinâmica do spin em ferromagnéticos e ferrimagnetos, o que poderia acelerar a inovação tecnológica explorando sinergias entre esses campos.” Em ferrimagnetos, normalmente duas redes de spin antiparalelas têm uma quantidade desigual de spin.

Materiais com redes de spin antiparalelas recentemente receberam maior interesse como candidatos para aplicações ultrarrápidas, disse Barsukov. “Mas muitos desafios tecnológicos permanecem”, disse ele. “Nossa compreensão das correntes de spin e engenharia de materiais para ferromagnéticos avançou significativamente nas últimas décadas. Juntamente com a recente confirmação da nutação, vimos a oportunidade de os ferromagnéticos se tornarem excelentes candidatos para aplicações de frequência ultra-alta. Nosso estudo prepara o terreno para esforços conjuntos para explorar materiais ideais e projetar arquiteturas eficientes para habilitar dispositivos terahertz.” O título do artigo é “Spin inertia and auto-oscillations in ferromagnets” (Inércia de spin e auto-oscilações em ferromagnéticos).