Tocar uma corda de violão é uma ação simples que gera uma série harmônica de tons harmônicos. No entanto, guitarristas habilidosos podem elevar seu desempenho aplicando pressão nas cordas enquanto as tocam. Essa técnica sutil faz com que o tom da nota se dobre - subindo ou descendo com cada movimento hábil - e infunde expressividade, textura e caráter na música, aproveitando intencionalmente os "efeitos não lineares" das cordas do violão. 

Num estudo publicado em 24 de janeiro na Nature Physics , pesquisadores do MIT e da Universidade do Texas em Austin traçam um paralelo científico fascinante com esta arte musical. O artigo, de autoria do estudante de pós-graduação do MIT Zhuquan Zhang, pós-doutorado da Universidade do Texas em Austin Frank Gao PhD '22, professor de química do MIT Haslam e Dewey Keith Nelson , e professor assistente da Universidade do Texas em Austin Edoardo Baldini, demonstra a capacidade de controlar o padrões de dança de pequenos bits magnéticos, muitas vezes chamados de “ondas de spin” ou “magnons”, de maneira não linear, semelhante à forma como guitarristas habilidosos manipulam as cordas da guitarra. 

Para fazer isso, os pesquisadores usaram campos intensos de terahertz (THz) – pulsos de laser especialmente projetados operando em frequências infravermelhas extremas – para lançar ressonantemente uma onda de spin em sua frequência característica. Mas em vez de simplesmente excitar uma onda de spin, como seria de esperar normalmente, outra onda de spin distinta com uma frequência mais alta também foi excitada. “Isso realmente nos surpreendeu. Isso significou que poderíamos controlar de forma não linear o fluxo de energia dentro desses sistemas magnéticos”, diz Zhang. 

Para identificar essas vias de excitação não linear, os pesquisadores desenvolveram um espectrômetro sofisticado para descobrir o acoplamento mútuo entre ondas de spin distintas e revelar suas simetrias subjacentes. “Ao contrário da luz visível que pode ser facilmente vista a olho nu, a luz THz é difícil de detectar”, explica Gao. “De outra forma, esses experimentos seriam impossíveis sem o desenvolvimento da técnica que nos permitiu medir sinais THz com apenas um único pulso de luz.” 

O trabalho da equipe fornece novos insights sobre como a luz pode interagir com os spins de uma forma não convencional. Uma vez que os movimentos coletivos de dança destes minúsculos bits magnéticos e a sua propagação consomem significativamente menos energia do que as cargas elétricas, eles têm atraído muito alarde dos cientistas pelo seu potencial para revolucionar a computação. Esta descoberta fornece uma ferramenta que nos aproxima cada vez mais de um futuro de processamento de informações baseado em spin de alta velocidade, permitindo aplicações como transistores magnônicos e dispositivos de computação quântica. 

Outros autores do artigo incluem Yu-Che Chien ; Zi-Jie Liu e Eric R. Sung, dois atuais estudantes de graduação em química do MIT; Alexander von Hoegen, pós-doutorado do Departamento de Física do MIT; Jonathan B. Curtis e a professora Prineha Narang, da Universidade da Califórnia em Los Angeles; e Xiaoxuan Ma, Professor Wei Ren e Professor Shixun Cao da Universidade de Xangai.

Este trabalho foi apoiado principalmente pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Robert A. Welch e pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos Estados Unidos.