Raios X revelam ondas de spin duradouras num óxido de cobre

Um impulso laser dura apenas femtossegundos, quadrilionésimos de segundo, e nesse clarão faz com que os spins de um cristal de óxido de cobre se invertam em fila. No Instituto Paul Scherrer (PSI), na Suíça, a equipa de Hiroki Ueda atinge em seguida a mesma amostra com um segundo clarão, um impulso de raios X de alta brilhância proveniente de um laser de eletrões livres da instalação SwissFEL. O que registam é o tempo de duração das ondas resultantes.

A razão para nos interessarmos por isto são os limites dos computadores atuais. Os chips construídos em silício estão a atingir os seus limites físicos: os componentes não podem ser reduzidos indefinidamente, nem as frequências de relógio aumentadas indefinidamente. Num chip convencional, os eletrões circulam pelo material, o que provoca perdas de energia e gera calor residual. A alternativa estudada aqui, a spintrónica, deixa os eletrões no lugar e move a informação através de ondas de spin, um pouco como a ola num estádio, em que as pessoas permanecem nos seus lugares e só se mexem os braços. As ondas são feitas de magnões, excitações coletivas de spin que se comportam como quase-partículas, isto é, transportam uma energia e um momento bem definidos, embora não sejam verdadeiras partículas.

A novidade está no tempo. A equipa seguiu os magnões em três etapas. Em femtossegundos, o laser excita os eletrões e os spins começam a inverter-se em conjunto. Ao longo de picossegundos, bilionésimos de segundo, os magnões colidem e formam o que a equipa de Ueda descreve como ondas incoerentes, como mares agitados. Depois, na ordem dos nanossegundos, mil milionésimos de segundo, os magnões transferem a sua energia para as vibrações dos átomos da rede, chamadas fonões. Este último passo dá-se três ordens de grandeza depois do anterior. Romaguera afirmou que a equipa ficou surpreendida com a duração desta transferência, tendo em conta o forte acoplamento entre o magnetismo e a rede no óxido de cobre.

O resultado assenta numa combinação de métodos. A equipa recorreu à técnica pump-probe (bomba-sonda), variando o intervalo entre o impulso laser e o impulso de raios X para construir uma sequência de instantâneos, e acrescentou uma nova técnica de raios X a duas outras já estabelecidas. Até agora, cada método captava apenas uma parte do quadro, pelo que ninguém dispunha de um relato coerente único destas interações. Ueda afirma que a relação magnão-fonão, que depende da forma como o momento e a energia se relacionam em cada excitação, controla a eficiência com que a energia abandona os magnões, e que isto sugere que os materiais poderiam ser concebidos para ajustar esse tempo de vida. Trata-se de conclusões obtidas com uma única amostra de óxido de cobre, em laboratório. Nenhum componente lógico foi construído ou testado com estes resultados.

Para os engenheiros que trabalham na computação pós-silício, a mensagem é a existência de uma janela temporal utilizável. Se os magnões mantiverem a sua energia durante tempo suficiente, um dispositivo poderia, em princípio, manipulá-los antes de se dissiparem, que é a condição para executar e controlar operações lógicas com ondas de spin. A equipa não indica uma data para essa etapa e não descreveu um protótipo, um material que possa ser fabricado em escala nem um custo. O que demonstrou é que a física da própria onda oferece a tal dispositivo algo com que trabalhar.