Professor da Universidade Federal de Viçosa, que está no fim do pós-doutorado na Universidade do Chile, conduziu estudo teórico inédito que foi capa em outubro da Physical Review Letters
Um estudo teórico do qual participou o físico brasileiro Vagson L. Carvalho-Santos, professor da Universidade Federal de Viçosa (UFV), aprofundou as pesquisas sobre uma estrutura topológica magnética microscópica cuja verificação experimental é raríssima, mas que pode ajudar a revolucionar os equipamentos eletrônicos. Os resultados foram publicados em outubro de 2023 no artigo “Hopfion-Driven Magnonic Hall Effect and Magnonic Focusing”, que chegou até a ser capa da revista científica Physical Review Letters (PRL) no fim da semana do dia 20 daquele mês.
Essas estruturas são chamadas de hopfions, que para serem explicadas é preciso retroceder em alguns conceitos. Há uma área de crescente importância chamada de spintrônica, que utiliza o spin do elétron para manipular informações, explorando fenômenos físicos relacionados ao momento magnético da partícula. Em certas configurações de materiais, o spin de cada elétron se une formando skyrmions, que são nanoestruturas magnéticas, redemoinhos de spins, proposta teoricamente em 1962 e cuja existência foi comprovada em laboratório em 2009. E eles se reúnem em grupos, formando certos sistemas magnéticos. Uma outra estrutura topológica bidimensional são os bimerons, cuja carga topológica é a mesma do skyrmion, e são formados por um par de vórtice e antivórtice.
A partir de skymions e bímerons surgem os hopfions quando esses elementos são “enrolados”, formando uma estrutura em três dimensões. Imagine um fio de cabelo que, em certo ponto, se desenvolve em formato de espiral, mais ou menos parecido com a haste da folha da flor que está ao fundo na parede nesta foto do professor Vagson, que concedeu a entrevista em uma sala na Universidade do Chile, em Santiago, onde termina seu pós-doutorado.
E o estudo do professor da UFV analisou o comportamento de ondas de spin, que são excitações sobre o estado fundamental de um sistema no qual uma magnetização é transferida entre os spins um a um, como num efeito-dominó. Em 2014, ele descobriu que a emergência de vórtices de ondas de spin quando essas passam por um ponto Bloch. Foi nessa época que ele, junto com o professor Álvaro Núñes, da Universidade do Chile, tiveram a ideia de calcular o que aconteceria se a onda de spin passasse por um hopfion.
“A gente já imaginava o que ocorreria, mas faltava a matemática. Como o hopfion é, numa visão mais simplista, um anel de skyrmions ou bimerons, pensávamos que a onda passaria e teria um espalhamento em formato de cone, em três direções. A nossa surpresa foi descobrir que, além disso, o espalhamento depende da direção da onda de spin: de um lado, o hopfion espalha o cone, como uma lente divergente para a luz; se vir do lado oposto, há uma convergência para um único ponto, como uma lente convergente para a luz. É um efeito tipo de lente para a luz. Essa foi a nossa maior surpresa”, explica Vagson.
Os cálculos matemáticos também preveem que, caso as ondas passem ao lado de um hopfion, onde não há campo magnético, há também desvio de direção em razão do efeito Aharonov-Bohm, que é um fenômeno quântico que demonstra a influência de um campo magnético mesmo em regiões onde o campo magnético é zero. Este efeito foi proposto por Yakir Aharonov e David Bohm em 1959. A ideia central desse efeito é que partículas carregadas, como elétrons, podem ser afetadas pelo potencial eletromagnético, mesmo que não exista campo magnético na região onde as partículas estão localizadas. “A onda de spin ‘sente’ esse campo magnético e se desvia”, explica Vagson.
“Um dos nossos projetos agora é como gerar um hopfion a partir de um efeito semelhente ao utilizado para gerar anéis de fumaça. Estamos tentando estabilizar esses hopfions”, explica o cientista, que avalia que a aplicação desse estrutura pode ir até muito além do uso em sistemas de armazenamento de dados na chamada spintrônica. “Talvez a gente não tenha enxergado a real potencialidade do hopfion, que pode ser usado por muito mais do que isso. Nossa percepção está muito limitada à visão de aplicação dos skymions.”
(Colaborou Roger Marzochi)