Houve um tempo em que átomos eram imaginados como nós parecidos com os que se faz com lã. Hoje estamos descobrindo uma classe de nanopartículas magnéticas que é exatamente assim.

No fim do século XIX, ninguém sabia ao certo como eram os átomos e como eles se ligavam. Uma das teorias mais sofisticadas da época era a de Lorde Kelvin, que via os átomos como minúsculos nós de matéria, que poderiam se ligar da mesma forma que os pontos de crochê ou tricô. Essa teoria caiu no esquecimento à medida que descobrimos que os átomos são bem mais complexos do que parecem, com seus enxames de elétrons e densos núcleos de prótons e nêutrons.

Nos últimos anos, porém, essa ideia vem sendo redescoberta pela engenharia de materiais. Os cientistas dessa área chamam os nós de skyrmions, uma classe de nanopartículas formada pelo enlaçamento de um campo que pode ser o magnético, por exemplo. Os skyrmions magnéticos estão sendo explorados recentemente em busca de potenciais aplicações na spintrônica. Esse ramo da física busca usar o spin dos elétrons — uma propriedade relacionada ao magnetismo dos elétrons — para fins computacionais, como o armazenamento e processamento de dados.

Não faz muito tempo que os skyrmions magnéticos foram observados experimentalmente em fatias muito finas de materiais magnéticos — tão finas que podem ser consideradas bidimensionais. Seria possível formar nano-nós tridimensionais? Paul Sutcliffe, físico-matemático da Universidade Durham (Reino Unido), demonstrou que sim. Em paper publicado na Physical Review Letters, ele explica o que considera uma “ressurreição em nanoescala do sonho de campos em nós de Kelvin”.

Segundo Sutcliffe, os nano-nós magnéticos podem ser descritos pela carga Hopf, uma grandeza que indica o número de vezes que as linhas magnéticas curvadas de um skyrmion se entrelaçam. Um número de Hopf baixo indica a formação de anéis enquanto altos Hopf refletem a formação de estruturas magnéticas mais complexas, como laços e nós.

Simulação de skyrmions magnéticos como números de Hopf iguais a 3 (a), 6 (b), 7 (c) e 10 (d). Imagem: Sutcliffe (2017)

Simulação de skyrmions magnéticos como números de Hopf iguais a 3 (a), 6 (b), 7 (c) e 10 (d). Imagem: Sutcliffe (2017)

Para descobrir isso, Sutcliffe investigou as característica de um tipo especial de ímã, conhecido como ímã frustrado. Esse tipo de material dá aos skyrmions uma dose extra de liberdade rotacional. Com essa dimensão adicional, é possível formar nano-nós magnéticos tridimensionais. “O ponto mais significante é que esses nano-nós são estáveis, porque normalmente os campos evitam ser enlaçados porque se desenrolam”, explicou o britânico ao Phys.org.

Surpreendentemente, os skyrmions de Sutcliffe não passaram muito tempo na teoria. Tendência em laboratórios de todo o mundo, o nanotricô também estava sendo estudado na China enquanto o matemático britânico elaborava seu artigo. Assim, poucos dias após a publicação do trabalho teórico, pesquisadores chineses relataram num pré-print a primeira observação experimental de skyrmions em um ímã frustrado.

Os nano-nós são uma tendência que voltaram pra ficar. Outros trabalhos recentes têm indicado que os skyrmions podem ser manejados por diversos métodos — como vórtices ópticos e nanobastões ferromagnéticos, que mais parecem tecnologia de ficção científica — mas ainda não está claro qual é o melhor e mais prático. Também estão sendo desenvolvidos sistemas de detecção de skyrmions por imagem. Por isso, Sutcliffe está otimista com suas descobertas e planeja aprofundar suas pesquisas para explicar como se formam os nano-nós magnéticos e como eles poderiam ser utilizados na prática.

Referências

rb2_large_gray25SUTCLIFFE, Paul. Skyrmion Knots in Frustrated Magnets [Nós skyrmion em ímãs frustrados]. Physical Review Letters, 118, 247203 – Published 16 June 2017. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.247203. Também disponível em: arXiv:1705.10966 [cond-mat.mes-hall]

HOU, Zhipeng et. al. Observation of Various and Spontaneous Magnetic Skyrmionic Bubbles at Room-Temperature in a Frustrated Kagome Magnet with Uniaxial Magnetic Anisotropy [Observação de várias e espontâneas bolhas skyrmiônicas em magneto frustrado Kagome a temperatura ambiente com anisotropia magnética uniaxial] arXiv:1706.05177 [cond-mat.mtrl-sci]

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