Bimerons induzidos por luz em um magneto quiral

Escrevendo vórtices magnéticos minúsculos com luz

Computadores modernos movem informação usando cargas elétricas, o que desperdiça energia na forma de calor. Físicos investigam novas maneiras de armazenar e transportar dados usando padrões estáveis e circulares de magnetismo que se comportam como partículas. Este estudo mostra que flashes de laser ultrarrápidos podem «escrever» de forma confiável um tipo especial de vórtice magnético, chamado bimeron, em um cristal fino à temperatura ambiente, e que esses vórtices podem ser ajustados com um campo magnético modesto. O trabalho aponta para futuros dispositivos de memória e lógica de baixo consumo que seriam controlados por luz em vez de fios.

Pequenos nós magnéticos como portadores de informação

Em alguns ímãs, os pequenos ímãs atômicos não se alinham todos; em vez disso, eles se torcem formando redemoinhos em miniatura chamados texturas de spin topológicas. Como as torções não podem ser desfeitas sem uma grande reorganização, essas estruturas são incomumente estáveis e podem atuar como bits de informação robustos. Os exemplos mais conhecidos são os skyrmions, que são redemoinhos arredondados em ímãs cuja direção preferida fica fora do plano. Em ímãs onde os spins preferem ficar no plano, objetos relacionados chamados merons e bimerons podem se formar. Um bimeron é, efetivamente, um par ligado de meias‑torções que juntos se comportam como uma partícula. Eles são interessantes para eletrônica e spintrônica futuras porque, em princípio, podem ser movidos por pequenas correntes elétricas, empacotados densamente e usados na escala nanométrica sem se desfazerem facilmente.

Usando flashes de laser para criar vórtices magnéticos

Os pesquisadores trabalharam com lâminas finas de um magneto quiral feito de cobalto, zinco e manganês (Co₈Zn₈Mn₄). Neste material, uma interação interna de torção favorece naturalmente padrões magnéticos em espiral, e o magneto permanece ordenado acima da temperatura ambiente. A equipe moldou lâminas finas com apenas 90–200 nanômetros de espessura e observou seu magnetismo diretamente dentro de um microscópio eletrônico de transmissão que pode imaginar estruturas magnéticas. Em seguida, dispararam pulsos de laser de femtossegundos (um quadrilionésimo de segundo) únicos na amostra. Cada pulso aqueceu o magneto extremamente rápido, desorganizando temporariamente seu padrão ordenado e conduzindo‑o a um estado desordenado e de alta energia. À medida que a amostra esfriou em bilionésimos a milionésimos de segundo, a magnetização se reorganizou, e bimerons estáveis emergiram conforme o sistema relaxou.

AFinando bimerons com um campo magnético suave

Aplicando um pequeno campo magnético perpendicular à lâmina fina, a equipe pôde direcionar qual tipo e quantos bimerons se formavam. Em campo zero, os pulsos de laser produziram uma mistura de dois bimerons espelhados. Mesmo campos modestos de apenas algumas dezenas de miliTesla inclinaram o balanço energético de modo que um tipo se tornasse mais favorável e dominasse o padrão. À medida que o campo aumentava, o número de bimerons primeiro crescia até um máximo e depois diminuía, desaparecendo além de um campo limiar. Experimentos cuidadosos em lâminas de diferentes espessuras mostraram que, apesar das mudanças em como os padrões apareciam no microscópio, as torções magnéticas tridimensionais subjacentes eram topologicamente as mesmas. Em outras palavras, o “tipo de nó” essencial do bimeron não dependia da espessura da lâmina.

Ampliando a estrutura magnética interna

Paralelamente à imagem, a equipe realizou simulações computacionais detalhadas do comportamento do magneto usando um modelo micromagnético que incluía a interação de torção, a rigidez magnética comum e a influência da forma da amostra. Eles também levaram em conta uma fina camada superficial danificada criada durante a fabricação, onde a interação de torção é reduzida. Partindo de um arranjo aleatório de spins, as simulações relaxaram para estados de baixa energia e produziram padrões de bimerons que corresponderam de perto às imagens experimentais, tanto em densidade quanto em contraste. Os cálculos revelaram como cada bimeron é formado por dois merons ligados com formas distintas e como, à medida que o campo aumenta, o fundo magnético ao redor gradualmente se endireita de um padrão inclinado e em forma de cone para um estado totalmente uniforme.

De bimerons a skyrmions e dispositivos futuros

Ao aumentar o campo magnético nas simulações, os pesquisadores observaram uma transformação suave de bimerons em skyrmions mais simétricos assim que a magnetização circundante ficou totalmente alinhada. No experimento real à temperatura ambiente, flutuações térmicas fizeram com que os bimerons colapsassem antes que essa transição final pudesse ser vista, mas o acordo entre teoria e medida sustenta uma visão unificada que trata bimerons e skyrmions como objetos topológicos intimamente relacionados. Em resumo, o trabalho demonstra que um único pulso de luz ultrarrápido pode escrever de forma confiável padrões controláveis de bimerons em um filme magnetizado no plano. Esse controle óptico de nós magnéticos duráveis representa um passo-chave rumo a futuras tecnologias de memória e computação que usam luz e magnetismo para processar informação com muito menos energia do que a eletrônica atual.

Citação: Zhu, K., Rybakov, F.N., Wang, Z. et al. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun 17, 3185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71291-5

Palavras-chave: bimerons, laser ultrarrápido, magnetismo topológico, spintrônica, skyrmions