&bala; Física 17, 186
Um método para gerar imagens de ondas de spin em materiais magnéticos usa variações de intensidade semelhantes a flash em um feixe de laser para capturar o movimento da onda em momentos específicos.
Os momentos magnéticos, ou spins, em certos materiais podem girar em um padrão de onda coordenado que poderá um dia ser usado para transmitir informações nos chamados dispositivos spintrônicos. Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de visualizar essas ondas de spin usando um laser infravermelho que essencialmente acende e apaga em uma frequência que corresponde à das ondas de spin.1). Ao contrário de outras sondas de ondas de spin, este método estroboscópico pode capturar diretamente informações de fase que são relevantes para determinadas aplicações, como dispositivos híbridos que combinam ondas de spin com outros tipos de ondas.
Uma onda de spin pode ser desencadeada em um materials magnético quando alguma perturbação faz com que um spin oscile, o que pode então gerar uma onda de oscilações que ondula através dos spins vizinhos. As ondas de spin possuem diversas propriedades que as tornam boas candidatas a portadoras de informação. Por um lado, eles têm comprimentos de onda relativamente pequenos – algumas centenas de nanômetros a uma frequência de 1 GHz, enquanto um fóton de 1 GHz tem um comprimento de onda de cerca de 30 cm. Essa compacidade poderia permitir que os pesquisadores construíssem componentes spintrônicos, como guias de ondas e portas lógicas, em nanoescala. Outra vantagem destas ondas é que os spins permanecem no lugar e apenas a sua orientação muda. Portanto, as perdas de calor que afetam as cargas móveis na eletrônica tradicional não existem.
Mesmo assim, os pesquisadores ainda estão tentando compreender e manipular o comportamento das ondas de spin. Para estudar ondas de spin, uma das técnicas mais comuns envolve espectroscopia bomba-sonda com luz visível ou UV. Neste método, um forte pulso de laser excita uma onda de spin em um materials alvo, seguido por um segundo pulso mais fraco, cuja polarização é afetada pelos spins. Ao medir esta mudança de polarização, os investigadores podem mapear a amplitude da onda de spin. Mas obter a fase requer configurações ópticas mais complicadas. Esta informação de fase é importante para estudar a interação das ondas de spin com outros tipos de ondas, como ondas luminosas e sonoras.
Wei Zhang, da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, e seus colegas desenvolveram um método estroboscópico que pode registrar diretamente a amplitude e a fase das ondas de spin. Anteriormente, eles usaram essa técnica para medir mudanças de fase em pontos fixos de um materials (2, 3), mas agora eles o adaptaram para permitir a captura de imagens de ondas de spin.
O método estroboscópico funciona iluminando os spins com flashes de luz a uma taxa semelhante à sua taxa de rotação. A frequência típica da onda de spin está na faixa de gigahertz, então a luz estroboscópica precisa ser ligada e desligada, ou “modulada”, em frequências de gigahertz. “Você não pode fazer modulação gigahertz para luz visível e UV”, diz Zhang. Por isso, ele e seus colegas utilizam um laser infravermelho (IR) de onda contínua cuja intensidade é variada em frequências gigahertz por um modulador eletro-óptico.
Os pesquisadores direcionam esse feixe de laser modulado para uma amostra e registram uma mudança de polarização semelhante à da espectroscopia bomba-sonda. Para definir o tempo dos flashes, a equipe aciona seu modulador eletro-óptico com um sinal eletrônico que também é usado para excitar uma onda de spin na amostra. Graças a esta sincronização, os flashes chegam a momentos bem definidos da progressão da onda, permitindo medir tanto a amplitude como a fase da onda. “É como tirar uma série de instantâneos da oscilação”, diz Zhang.
Para produzir mapas, Zhang e seus colegas examinam a superfície de um alvo com seu feixe infravermelho. Como demonstração, eles estudaram amostras compostas feitas de um isolante magnético chamado YIG e uma liga magnética chamada permalloy. Eles mediram a velocidade de propagação de ondas de spin de vários comprimentos de onda e também registraram o comportamento das ondas de spin nas fronteiras entre diferentes materiais.
Zhang diz que os pesquisadores poderiam usar a técnica para investigar a propagação de ondas de spin através de guias de onda e portas lógicas. Outra aplicação seria a investigação de dispositivos híbridos, que tentam combinar as vantagens das ondas de spin com as de outros portadores de informação baseados em ondas, como fótons e fônons.
“A técnica de microscopia de ondas de spin utiliza uma luz estroboscópica infravermelha, oferecendo vantagens conceituais e tecnológicas em relação aos métodos ópticos de medição de ondas de spin comumente usados”, diz o especialista em magnetismo Benjamin Jungfleisch, da Universidade de Delaware. Ele observa limitações da nova técnica em sua resolução de tempo, mas sua tecnologia IR se beneficia por ser compacta, acessível e amplamente disponível. O pesquisador da Spintronics, Luqiao Liu, do MIT, diz que o método estroboscópico tem “enorme potencial” no estudo das interações em plataformas híbridas.
–Michael Schirber
Michael Schirber é editor correspondente da Revista Física com sede em Lyon, França.
Referências
- Y. Xiong e outros.“Microscopia de ondas spin com resolução de fase usando luz estroboscópica infravermelha,” Física. Rev. 22064081 (2024).
- Y. Li e outros.“Magnetometria simultânea de torque de spin óptico e elétrico com detecção sensível à fase de precessão de spin,” Física. Rev. Aplicado 11 (2019).
- Y. Xiong e outros.“Espectros de transparência induzidos magneticamente sintonizáveis em Y acoplado magnon-magnon3Fé5Ó12/ bicamadas de permalloy,” Física. Rev. Aplicado 17 (2022).
