Usar Lasers para Magnetizar Substâncias Não-Magnéticas Pode Transformar Computadores Modernos

A computação quântica possui um enorme potencial. Ela poderia transformar completamente indústrias e mudar a forma como entendemos o universo. Ao combinar os princípios da mecânica quântica com a ciência da computação, a computação quântica permite que problemas complexos sejam resolvidos com facilidade, processando enormes quantidades de dados em paralelo e explorando múltiplas soluções. 

Dessa forma, os computadores quânticos podem ajudar na descoberta de medicamentos, modelagem climática, aprimoramento de capacidades de IA e na resolução de problemas de otimização. Eles também têm potencial em cibersegurança, quebrando métodos de criptografia existentes e criando sistemas de criptografia quântica inquebráveis.

Ao longo dos anos, fizemos progressos significativos na computação quântica, incluindo supremacia quântica, códigos de correção de erros e computadores quânticos baseados em nuvem. No entanto, esse progresso tem sido em grande parte limitado às temperaturas extremamente baixas dos laboratórios, o que pode estar prestes a mudar. 

Agora, pesquisadores do Instituto Nórdico de Física Teórica (NORDITA), uma colaboração entre os cinco países nórdicos, a Universidade de Estocolmo e a Universidade Ca’ Foscari de Veneza, demonstraram com sucesso comportamento quântico à temperatura ambiente ao utilizar luz laser. Pela primeira vez, a luz laser conseguiu tornar materiais não magnéticos magnéticos.

Isso é de extrema importância porque o magnetismo desempenha um papel fundamental no funcionamento de um computador. A memória de computador usa eletroímãs de pequena escala magnetizados por tensão para possibilitar os estados binários de “ligado” ou “desligado”. A forma como átomos e elétrons reagem aos campos magnéticos permite que dispositivos eletrônicos leiam, escrevam e manipulem dados.

Neste novo estudo, os pesquisadores mostraram exatamente como expor um material não magnético à radiação laser de alta frequência pode produzir um efeito magnético à temperatura ambiente.

A nova descoberta tem o potencial de abrir caminho para computadores mais eficientes em energia e mais rápidos, transferência de informação e armazenamento de dados. Ela demonstra um promissor potencial para revolucionar a eletrônica, particularmente aquelas máquinas construídas com tecnologia quântica, que normalmente operam em temperaturas próximas ao zero absoluto (-273 graus Celsius).

Tornando Materiais Não-Magnéticos Magnéticos

No estudo mais recente, os pesquisadores usaram titanato de estrôncio (SrTiO₃), um óxido de estrôncio (Sr) altamente reativo quimicamente e titânio (Ti) leve. À temperatura habitável para humanos, ele possui uma estrutura perovskita e é conhecido por sua alta constante dielétrica.

Este material foi submetido à luz de um laser de alta frequência, que agitou os átomos e os mobilizou. Isso gerou correntes elétricas dentro do titanato de estrôncio, tornando-o magnético.

Falando sobre a novidade de seu método, o autor principal do estudo, Stefano Bonetti, físico da Universidade de Estocolmo e da Ca’ Foscari, disse que era:

“No conceito de deixar a luz mover átomos e elétrons neste material em um movimento circular, gerando correntes que o tornam tão magnético quanto um ímã de geladeira.”

Transformar material não magnético em magnético não é nada novo, porém. Já foi previsto e estudado anteriormente. 

Em 2015, a Nature publicou pesquisa que descobriu que cobre e manganês, dois metais comuns não magnéticos, podem ser transformados em ímãs ao combinar filmes finos dos metais com moléculas orgânicas baseadas em carbono. Embora os resultados tenham sido obtidos à temperatura ambiente, o magnetismo era fraco e desaparecia após alguns dias.

Este experimento baseou‑se em uma teoria dos anos 1930 do físico teórico Edmund Stoner, da Universidade de Leeds, que investigou o que torna possível que um elemento seja magnético.

Em 2020, uma equipe de pesquisa também conseguiu modificar materiais óxidos não magnéticos e torná‑los magnéticos por meio de crescimento controlado camada por camada de cada material. No mesmo ano, outra equipe de pesquisadores usou eletricidade para ativar o magnetismo no pirita não magnético ou sulfeto de ferro. A técnica usada neste estudo foi a gating eletrolítica, que envolvia colocar o pirita em contato com um eletrólito (líquido iônico) e então aplicar um volt de eletricidade que movia moléculas carregadas positivamente e criava uma força magnética mensurável. Nesse caso, desligar a voltagem também interrompia o magnetismo.

Usar luz para alterar as propriedades de um material também tem ganhado considerável atenção científica há algum tempo. 

A questão é que ímãs e o campo magnético geralmente são gerados por correntes circulantes. Em 2019, físicos iluminaram discos metálicos não magnéticos com luz linearmente polarizada, gerando correntes elétricas circulantes e fazendo o magnetismo emergir espontaneamente no disco. Em princípio, este método pode transformar metais não ferrosos em ímãs “sob demanda” usando luz laser.

Usando Luz para Rotacionar Átomos & Gerar Corrente

A magnetização causada por rotação em escala macroscópica é conhecida como efeito Barnett. Sob esse efeito, um material é girado completamente para alinhar as rotações angulares inerentes dos elétrons de um material magnético desordenado, gerando um campo magnético resultante em seu interior.

No novo experimento, a rotação em escala atômica foi realizada em materiais não magnéticos ao utilizar pulsos de laser circularmente polarizados. Os pulsos giraram os átomos no material, produzindo fônons quirais coletivos, que são vibrações circularmente polarizadas ressonantes com a frequência do laser.

Para isso, foi desenvolvido uma nova fonte de luz no infravermelho distante (FIR), que é circularmente polarizada, ou seja, tem forma de ‘parafuso’. Quando a luz laser com esse tipo de polarização entra em um material, a polarização circular é transferida aos seus átomos, girando‑os e produzindo correntes atômicas. Se a frequência da luz coincidir com a vibração do átomo, o efeito é amplificado e, como resultado, um magnetismo considerável é produzido. 

Assim, o experimento realizado pelo grupo internacional liderado por Bonetti submeteu o material quântico titanato de estrôncio (SrTiO3) a feixes laser intensos porém curtos, de comprimento de onda e polarização peculiares, para induzir magnetismo. Os pulsos de 800 nm, com duração de picosegundos, foram disparados por um laser de infravermelho distante de 100 µm. 

Em particular, a rotação Kerr dos pulsos de sondagem foi medida. A equipe também utilizou diversas temperaturas, variando de 160 a 360 Kelvin. Isso mostrou que a maior resposta foi alcançada a 280 K (7 °C). Nesse ponto, o campo elétrico terahertz dos pulsos estava em ressonância com o primeiro modo fônico óptico do material.

Em este estudo mais recente publicado na Nature, o autor principal Bonetti observou que foi a primeira vez que conseguiram induzir e ver claramente como o material realmente se torna magnético à temperatura ambiente. 

Essa abordagem ainda permitiu à equipe “fabricar materiais magnéticos a partir de muitos isolantes, quando ímãs são tipicamente feitos de metais,” acrescentou.

Entretanto, o grau de magnetização induzido pela técnica laser foi medido usando um efeito estabelecido no qual a luz reflete de forma diferente de um material dependendo de seu magnetismo.

Em seu experimento, as medições mostraram que o material havia se tornado magnético. Contudo, a magnitude da magnetização induzida, baseada em métodos teóricos conhecidos para calcular essa quantidade, foi cerca de quatro ordens de magnitude maior do que o esperado. Essa diferença foi atribuída a simplificações excessivas feitas pelos físicos em seus cálculos. 

Outro grupo de pesquisadores usou pulsos de laser infravermelho circularmente polarizados para induzir temporariamente um efeito magnético em um material não magnético. 

Cientistas da Radboud University, Holanda, em colaboração com a Nihon University, Japão, fizeram isso, mas em vez de pulsos de banda larga convencionais, usaram pulsos de banda muito estreita dos lasers de elétrons livres FELIX, o que lhes permitiu direcionar melhor vibrações de rede específicas em ressonância. Eles ainda usaram a magnetização criada para mudar a magnetização de uma liga magnética.

De acordo com esses pesquisadores, a ressonância fônica poderia ser usada como um método novo e rápido para gravar dados em mídia magnética. Alterar a direção de rotação da luz circularmente polarizada também permitiu à equipe mudar a direção da magnetização.

O Uso Crescente da Luz Laser

O uso da luz laser está crescendo rapidamente. Apenas esta semana, cientistas fizeram uma nova descoberta: Um feixe laser concentrado pode mudar o estado magnético de um material sólido, demonstrando enorme potencial em memória de computação ultrarrápida.

Para isso, os cientistas prepararam uma nova equação “elementar” que descreve a ligação entre a frequência e amplitude do campo magnético da luz e as propriedades de absorção de energia de um material magnético. De acordo com Amir Capua, professor de física da Universidade Hebraica de Jerusalém:

“Isso nos permite reconsiderar completamente o registro magnético óptico e nos guiar rumo a um dispositivo de armazenamento magnético óptico denso, energeticamente eficiente e de baixo custo, que ainda nem existe.” 

Espera‑se que essa tecnologia leve a componentes MRAM mais rápidos e eficientes no futuro. 

O tamanho global do mercado de tecnologia laser está realmente projetado para crescer até US$ 29,5 bi antes do fim da década, acima da avaliação atual de US$ 20 bi. Esses números se devem ao amplo potencial do laser em várias indústrias.

Um laser é um dispositivo óptico que produz um feixe de luz ao estimular a emissão de radiação. Devido às propriedades únicas dessa luz, como alta intensidade, coerência, monocromaticidade e direcionalidade, os lasers são amplamente usados na medicina, comunicações, ciência, setor militar e mais. Como resultado, muitas invenções e experimentos têm ocorrido no campo dos lasers.

Mais recentemente, cientistas na Romênia criaram a emissão de laser mais poderosa do mundo, que corresponde a um décimo da potência que o sol emite e que chega à Terra. Instalado em um centro próximo a Bucareste, operado pela empresa francesa Thales, o laser teria uma saída de 10 petawatts (10 quadrilhões de watts). O pico foi alcançado apenas por um período extremamente curto, cerca de 25 femtossegundos, e com uma largura de apenas três micrômetros.

Os cientistas esperam que o laser conduza avanços revolucionários em setores que vão da saúde ao espaço. Essa invenção pode ser aplicada para tratar resíduos nucleares e limpar detritos espaciais.

Em outra pesquisa recente, físicos do RIKEN realizaram pulsos de luz laser muito curtos com potência de pico de 6 trilhões de watts. Isso equivale à potência produzida por 6.000 usinas nucleares. Essa conquista visa ajudar a desenvolver lasers attossegundo que podem possibilitar o estudo de elétrons. 

No ano passado, Anne L’Huillier, Pierre Agostini e Ferenc Krausz foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física por sua pesquisa sobre pulsos de luz attossegundo (um quintilhão de um segundo).

Esses pulsos laser ultra‑curtos podem ajudar a iluminar processos extremamente rápidos, proporcionando aos cientistas uma maneira poderosa de capturá‑los e investigá‑los. 

“Ao tornar possível capturar o movimento dos elétrons, os lasers attossegundo fizeram uma grande contribuição para a ciência básica.”

– Eiji Takahashi, do RIKEN Center for Advanced Photonics

Espera‑se que sejam usados para diagnosticar condições médicas, observar células biológicas e desenvolver novos materiais.
Clique aqui para saber como os lasers estão destinados a desempenhar um papel fundamental nas próximas décadas.

Potencial Futuro do Magnetismo Induzido por Laser

Financiado por um ERC Synergy Grant e pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, o estudo que tornou materiais não magnéticos magnéticos à temperatura ambiente observou que, na física, a ordem coletiva da matéria é um dos fenômenos mais básicos e fascinantes e que a multiferroicidade dinâmica foi introduzida para descrever o surgimento da magnetização. 

“Em termos simples, o movimento rotacional coerente dos íons em um cristal induz um momento magnético ao longo do eixo de rotação,” afirmava. 

Devido a esse mesmo mecanismo, a equipe conseguiu demonstrar magnetização no perovskita paraelétrico arquetípico SrTiO3. Esses resultados já foram reproduzidos em vários outros laboratórios.

Entretanto, o magnetismo do material foi mantido apenas por cerca de um trilionésimo de segundo. Não foi tempo suficiente para encontrar sua aplicação em memória de computador.

Dito isso, este é um ótimo ponto de partida onde os cientistas finalmente conseguiram levar a teoria à prática. Certamente isso tem importantes aplicações tecnológicas potenciais que serão realizadas ao longo do tempo com mais pesquisas.

Os achados do experimento, segundo a pesquisa, mostram um novo caminho para o controle do magnetismo. Isso poderia ser utilizado para interruptores magnéticos extremamente rápidos, por exemplo, através do controle coerente de vibrações de rede usando luz.

Além disso, embora este estudo tenha começado com titanato de estrôncio, outros materiais mais complexos podem ser explorados no futuro que possam manter seu magnetismo por períodos mais longos. A partir daqui, o caminho é avançar com mais descobertas empolgantes que abrirão a porta para uso em dispositivos computacionais.

Como afirmou o autor do estudo Alexander Balatsky, professor de física no NORDITA: 

“Isso pode ser usado para transferência de informação mais rápida e armazenamento de dados consideravelmente melhor, e para computadores que são significativamente mais rápidos e mais eficientes em energia.”

Portanto, embora os resultados sejam promissores e possam levar a grandes melhorias em eletrônica e computação baseadas em magnetização, mais trabalho é necessário.

Clique aqui para saber sobre o estado atual da computação quântica.