Avanço em Nanoestruturas Magnéticas Topológicas: Pesquisadores do CBPF propõem solução para desafios tecnológicos

Pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, publicaram estudo inovador na revista Nano Letters, propondo uma abordagem para criar nanoestruturas magnéticas com potencial de ser aplicado em dispositivos capazes de realizar tarefas, tais como armazenamento de dados, processamento de alto desempenho e inteligência artificial, de maneira mais rápida, segura e energeticamente mais eficientes que as tecnologias atuais. A pesquisa revela como a curvatura de uma nano-película pode ser usada para controlar com precisão as propriedades magnéticas.

Este avanço é ainda mais relevante diante do crescente consumo energético dos data centers globais, que em 2023 atingiram cerca de 415 TWh — energia suficiente para abastecer todos os lares brasileiros por quase três anos. Com previsões de que esse consumo mais que dobre até 2030, é urgente buscar tecnologias mais eficientes.

O Impacto das Texturas Magnéticas e a Curvatura da Nano-película

A pesquisa propõe que ao combinar uma escolha precisa do material da nano-película com uma curvatura adequada, é possível imprimir qualquer tipo de textura magnética desejada, ou seja, qualquer tipo de organização dos momentos magnéticos atômicos. O mais interessante é que esses sistemas curvados se tornam arquétipos (ou “playgrounds”) para os cientistas, permitindo o estudo das condições necessárias para obtenção de texturas magnéticas de interesse particular. Entre essas texturas, destacam-se os skyrmions e skyrmioniums, estruturas magnéticas com propriedades topológicas, que as tornam quase como partículas. Por esta característica, têm um enorme potencial no desenvolvimento de novas tecnologias de computação de alto desempenho. Com esse estudo foi possível a estabilização dessas estruturas sem a necessidade de campos magnéticos externos e em temperatura ambiente — uma condição rara em pesquisas anteriores e um marco significativo na área.

Estabilização Sem Campos Magnéticos e em Temperatura Ambiente

Segundo Danian A. Dugato, primeiro autor do trabalho, a motivação para o estudo surgiu do desafio de estabilizar e comprovar essas texturas topológicas: "Há algum tempo tenho interesse por estas texturas peculiares como os skyrmions e skyrmioniums, principalmente pelo grande potencial de aplicação que vejo. A hipótese de que a curvatura, por si só, poderia romper a simetria estrutural e induzir um termo de energia específico, conhecido como interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), era ousada e apenas teoricamente prevista — mas acabou sendo validada com sucesso. Além disso, fizemos uma das primeiras observações dos skyrmionium em condições ambientes”.

Dugato ainda destaca que este trabalho abre uma nova fronteira na engenharia de texturas magnéticas, utilizando a curvatura como um parâmetro de controle. A comprovação experimental dessa teoria marca um importante passo para o futuro das tecnologias magnéticas.

Microscopia de força magnética realizada em condições ambientes mostrando a estabilização das diferentes texturas magnéticas.

Potenciais Aplicações Disruptivas

Este avanço pode impactar diretamente áreas como a computação neuromórfica, que simula o funcionamento do cérebro humano, e dispositivos lógicos reconfiguráveis, onde os bits são representados por estados topológicos. Flávio Garcia, pesquisador do CBPF e coordenador do estudo, enfatiza a importância do trabalho: "A capacidade de manipular parâmetros simples, como a curvatura e as características da nano-película, para criar sistemas topológicos complexos, sem a necessidade de campos externos e em temperatura ambiente, é um grande avanço. Estamos um pouquinho mais próximos de integrar essas tecnologias no cotidiano".

Colaboração Internacional com DNA brasileiro

O estudo é o resultado de uma colaboração internacional que envolveu três anos de pesquisa, sendo um desdobramento da tese de doutorado de Wesley Jalil, aluno do CBPF. Participaram da pesquisa:

Danian A. Dugato, Wesley B. Jalil, Flávio Garcia e Ramon Cardias (CBPF) – responsáveis pela idealização, coordenação, fabricação, caracterização dos sistemas, além da modelagem teórica e simulações micromagnéticas;

Marcelo Albuquerque e Márcio Costa (Universidade Federal Fluminense – UFF) – responsáveis pela modelagem teórica;

Trevor P. Almeida, Kayla Fallon e Stephen McVitie (University of Glasgow, Reino Unido), András Kovács e Rafal E. Dunin-Borkowski (Centro de Pesquisa Jülich, Alemanha) – responsáveis pela caracterização de texturas magnéticas complexas por holografia eletrônica.

Mais informações: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00773