Pulsos de luz laser de femtosegundos, com duração de apenas alguns trilionésimos de segundo, possibilitaram a observação de novas estruturas magnéticas pela primeira vez. Utilizando a luz como um controle remoto, os pesquisadores conseguiram direcionar o magnetismo para estados tridimensionais em nanoescala nunca antes vistos.

O magnetismo é frequentemente imaginado como algo simples, apontando em uma direção ou outra. Em escalas muito pequenas, no entanto, o magnetismo pode se comportar de maneiras muito mais complexas. O magnetismo se origina de uma propriedade quântica dos elétrons conhecida como spin, que pode ser considerada uma pequena bússola interna carregada por cada elétron. Quando muitos spins interagem dentro de um material sólido, eles podem se organizar em padrões estáveis.

Em um estudo publicado na Nature Physics , uma colaboração entre pesquisadores suecos, alemães, luxemburgueses e chineses observou hopfions magnéticos. Um hopfion é uma estrutura magnética tridimensional na qual os spins dos elétrons exibem todas as direções possíveis em um volume limitado do material.

Análogos de hopfions magnéticos já foram observados em sistemas não magnéticos. Em materiais magnéticos, no entanto, sua existência independente havia sido prevista apenas pela teoria, e a observação experimental direta permanecia um grande desafio.

"Os hopfions são fascinantes por causa de sua estrutura. São objetos tridimensionais feitos de spins que formam laços fechados e interligados. Uma vez formados, mantêm sua forma e são praticamente imunes ao ambiente ao seu redor", afirma Philipp Rybakov, pesquisador do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Uppsala e um dos autores do estudo.

Os experimentos foram realizados em cristais magnéticos quirais . Em um cristal magnético quiral, a estrutura apresenta duas variantes que são imagens especulares uma da outra, como uma mão esquerda e uma mão direita. Embora sejam compostas pelos mesmos átomos, as duas formas não podem ser perfeitamente alinhadas por rotação. Essa assimetria intrínseca influencia fortemente a maneira como os spins magnéticos se organizam dentro do material.

Os pesquisadores estudaram filmes finos de ferro-germânio (FeGe) com uma espessura de cerca de 110 a 200 nanômetros. Embora os hopfions magnéticos já tivessem sido previstos pela teoria há vários anos, observá-los experimentalmente provou ser extremamente difícil. Em condições normais, o sistema magnético não atinge facilmente esses estados porque precisa superar barreiras de energia.

O que tornou possível essa descoberta foi o uso de pulsos de laser de femtosegundo . Um femtosegundo é um instante extremamente curto, um milionésimo de bilionésimo de segundo. Os pulsos de laser podem perturbar brevemente o sistema de spins e desestabilizá-lo, permitindo a formação de novos estados magnéticos.

No experimento, uma superfície relativamente grande foi coberta com FeGe e iluminada com luz laser de femtosegundo uma vez por segundo. Após a exposição ao laser, os pesquisadores examinaram o estado magnético do material usando técnicas avançadas de microscopia eletrônica. O experimento pôde então ser repetido sob as mesmas condições, possibilitando testar e verificar cuidadosamente os resultados.

Simultaneamente à realização dos experimentos, as mesmas estruturas magnéticas foram recriadas em simulações computacionais detalhadas utilizando o Excalibur, um programa de simulação desenvolvido anteriormente por Rybakov e adotado pela equipe de pesquisa. O software modela como milhões de spins interagindo evoluem e se organizam em padrões tridimensionais complexos. Essas simulações funcionam como gêmeos digitais dos experimentos.

Ao comparar as medições com as simulações, as estruturas observadas mostraram-se consistentes com os modelos teóricos de hopfions magnéticos.

Uma parte fundamental do trabalho foi a análise topológica dos estados magnéticos. A topologia é um ramo da matemática que descreve as propriedades de formas e objetos geométricos mais complexos que permanecem inalterados sob deformações contínuas, como nós ou laços entrelaçados. Rybakov liderou o trabalho teórico e topológico que possibilitou a identificação dos hopfions como estruturas magnéticas tridimensionais distintas e estáveis.

O estudo é resultado de uma estreita colaboração entre teoria e experimento, com trabalho experimental e modelagem teórica desenvolvidos em paralelo. "A teoria nos ajudou a apontar a direção certa, os experimentos tornaram as estruturas visíveis e as simulações e a topologia nos ajudaram a interpretar o que estávamos vendo", diz Rybakov.

Os resultados não se limitam a hopfions em um único material. Em um trabalho paralelo realizado na Instalação de Usuários de Condições Extremas Sinergéticas (SECUF), a mesma abordagem baseada em luz foi usada para controlar o magnetismo em um material quiral diferente. Nesse estudo , publicado na Nature Communications , os pesquisadores demonstraram os chamados bímerons, estruturas magnéticas bidimensionais que podem ser vistas como contrapartes de hopfions tridimensionais. Em conjunto, esses estudos mostram que a luz laser pode servir como uma ferramenta geral para acessar novos estados magnéticos em diferentes materiais e em duas e três dimensões.

A descoberta abre novas oportunidades para pesquisas futuras. Como os hopfions são estruturas magnéticas tridimensionais estáveis, eles são de interesse para a espintrônica, onde o spin do elétron é usado em vez da carga elétrica para armazenar e processar informações.