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Diagrama de fases do sistema e as fases não uniformes descobertas. Vórtices em azul e os skyrmions em vermelho.
Simulações computacionais realizadas pelo físico Clécio Clemente, professor da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), e seu aluno de doutorado, José Ferreira Neto, mostram como é possível formar padrões de listras, bolhas e gotículas de tamanho nanométrico na superfície de materiais híbridos, compostos por uma camada supercondutora e outra magnética. O controle da formação desses padrões pode ter aplicações em novas tecnologias de spintrônica e computação quântica.

O trabalho publicado recentemente na revista Physical Review Letters mostra como vórtices supercondutores interagindo com redemoinhos de spin podem formar estruturas complexas semelhantes a emulsões em líquidos. Sob condições apropriadas, dois líquidos imiscíveis podem formar emulsões estáveis, onde uma das substâncias encontra-se dispersa na outra na forma de gotículas. Leite e manteiga são exemplos familiares de emulsões formadas por gordura e solução aquosa. ¨Nosso estudo teórico mostra que skyrmions e vórtices em uma heteroestrutura magneto-supercondutora podem se auto-organizar de maneira semelhante”, diz Clemente.

Materiais supercondutores são capazes de transportar cargas elétricas sem qualquer dissipação de energia. Isso permite a formação de redemoinhos de carga elétrica. Já  em alguns materiais magnéticos, uma propriedade chamada de quiralidade permite a formação de vórtices de spin, os skyrmions. Ambos são objetos nanométricos, dotados de estabilidade topológica, o que lhes permite se mover através do respectivo material hospedeiro como partículas minúsculas. Recentemente, vórtices e skyrmions mostraram interagir uns com os outros em heteroestruturas magneto-supercondutoras.

O trabalho mostra que a redução da temperatura do sistema leva ao aumento do acoplamento skyrmion-vórtice em relação às outras interações presentes em cada subsistema, levando à formação de gotículas, listras e bolhas dispostas em padrões surpreendentemente diversos, modulados por densidade. Esses resultados são de fundamental importância, porque lançam luz sobre a formação de padrões em escala mesoscópica em geral, fornecendo novos insights sobre sistemas de vórtice-skyrmion acoplados, que podem ser úteis para spintrônica e aplicações em computação quântica.

A pesquisa foi realizada com apoio financeiro das agências FACEPE, CAPES e CNPq.

Artigo científico
Mesoscale Phase Separation of Skyrmion-Vortex Matter in Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructures
José F. Neto e Clécio C. de Souza Silva
Phys. Rev. Lett.128, 057001 – 2 de fevereiro 2022
ArXiv:2104.09619

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Igor Zolnerkevic
Assessor de comunicação
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