À medida que o mundo gera mais dados do que nunca, os cientistas procuram formas de armazenar esta informação em formatos mais pequenos e mais eficientes. “À medida que os volumes de dados continuam a crescer, os futuros meios magnéticos devem ser capazes de armazenar informações de forma confiável em densidades cada vez maiores”, diz o professor Jörg Wrachtrup, chefe do Centro de Tecnologias Quânticas Aplicadas (ZAQuant) da Universidade de Stuttgart, cuja equipe liderou a pesquisa. “Assim, nossos resultados têm implicações diretas para as tecnologias de armazenamento de dados da próxima geração. Ao mesmo tempo, são de fundamental importância, pois fornecem novos insights sobre as interações magnéticas em materiais atomicamente finos.”
Uma equipe de pesquisa internacional descobriu um estado magnético até então desconhecido em um material feito de quatro camadas atômicas de iodeto de cromo. De acordo com o Dr. Ruoming Peng, estudante de doutorado no 3º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart, a equipe conseguiu ajustar o magnetismo ajustando a interação dos elétrons em cada camada. Peng conduziu experimentos na ZAQuant com o estudante de doutorado King Cho Wong. “Podemos controlar seletivamente esse magnetismo ajustando as interações entre os elétrons em camadas individuais”, explica Peng. “O que é particularmente notável é que as propriedades magnéticas observadas são robustas às influências ambientais.”
Materiais 2D torcidos criam Skyrmions
O iodeto de cromo pertence a uma categoria conhecida como materiais bidimensionais (2D), que consistem em apenas algumas camadas atômicas dispostas em uma estrutura cristalina. Sabe-se que esses materiais ultrafinos se comportam de maneira muito diferente de suas versões tridimensionais mais espessas.
Nesse caso, os pesquisadores giraram levemente as duas camadas empilhadas de iodeto de cromo uma em relação à outra. Esta pequena torção criou uma configuração magnética inteiramente nova. “Em contraste, a bicamada não torcida não exibe um campo magnético externo líquido, como mostrado em estudos anteriores”, diz Peng. A rotação leva à formação de skyrmions, que são estruturas magnéticas em nanoescala, topologicamente protegidas e excepcionalmente estáveis. Eles estão entre os menores e mais duráveis meios conhecidos em sistemas magnéticos. A equipe criou e observou diretamente skyrmions em material magnético bidimensional torcido pela primeira vez.
A detecção quântica detecta magnetismo extremamente fraco
Observar este novo estado magnético não tem sido fácil porque os sinais envolvidos são extremamente fracos. Para medi-los, os cientistas contaram com um microscópio avançado que utiliza detecção quântica. Esta abordagem aproveita os centros de vacância de nitrogênio (NV) no diamante, uma técnica que foi desenvolvida e refinada no Centro de Tecnologia Quântica Aplicada há mais de vinte anos.
As descobertas desafiam a teoria magnética existente
A descoberta faz mais do que oferecer novas possibilidades para armazenamento de dados de alta densidade. Também avança a compreensão científica de como os elétrons se comportam coletivamente em sistemas magnéticos atomicamente finos. “Nossos resultados experimentais mostram que os modelos teóricos existentes devem ser melhorados para capturar completamente os fenômenos observados”, diz Wrachtrup.
O projeto reuniu colaboradores do Reino Unido, Japão, EUA e Canadá, além da Universidade de Stuttgart. Pesquisadores da Universidade de Edimburgo lideraram a modelagem teórica e as simulações numéricas.
Sobre o Centro de Tecnologias Quânticas Aplicadas
A pesquisa e o ensino no Centro de Tecnologias Quânticas Aplicadas (ZAQuant) concentram-se em tecnologias quânticas de estado sólido com aplicações desde detecção quântica em nanoescala até redes quânticas. A infraestrutura do instituto é uma combinação de laboratórios de precisão e óptica quântica e salas limpas de última geração, únicas no mundo.
