Ondas magnéticas sobreviveram muito mais do que o esperado dentro de óxido de cobre e raios X acompanharam sua energia por escalas de tempo extremas
Experimentos com laser e raios X revelam por que magnons persistem durante nanossegundos no óxido de cobre e como esse comportamento pode favorecer a spintrônica
Uma pesquisa publicada em setembro de 2026 revelou que ondas magnéticas geradas por laser no óxido de cobre permanecem ativas durante nanossegundos, muito mais do que os pesquisadores esperavam. Utilizando técnicas avançadas de raios X, cientistas acompanharam a transferência de energia entre elétrons, magnons e vibrações atômicas, abrindo novas possibilidades para a spintrônica.
Por que as ondas magnéticas permaneceram tanto tempo no óxido de cobre?
O óxido de cobre, representado pela fórmula CuO, apresenta propriedades antiferromagnéticas. Nesse tipo de material, os momentos magnéticos dos átomos se organizam em padrões que podem sustentar excitações coletivas chamadas magnons, semelhantes a ondas que atravessam uma sequência de pequenas bússolas.
Os pesquisadores esperavam uma transferência relativamente rápida da energia magnética para as vibrações da estrutura cristalina, devido à forte interação entre esses fenômenos no CuO. Entretanto, descobriram que parte dessa energia permanecia associada aos magnons por um intervalo surpreendentemente longo.
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O que aconteceu após os primeiros pulsos de laser atingirem o material?
O experimento começou com pulsos ópticos extremamente curtos, capazes de excitar os elétrons do cristal. Essa perturbação modificou rapidamente a organização magnética e gerou magnons fora do equilíbrio térmico em diferentes regiões do espaço de momentos.
Nos picossegundos seguintes, essas excitações interagiram entre si e se aproximaram de uma distribuição quase térmica. Somente na escala dos nanossegundos ocorreu a recuperação mais lenta, associada à transferência de energia para as vibrações da rede cristalina.
A evolução apresentou uma sequência característica:
- O laser excitou os elétrons do óxido de cobre;
- A ordem magnética foi perturbada em femtossegundos;
- Magnons surgiram em diferentes estados de momento;
- As excitações se redistribuíram durante picossegundos;
- A recuperação magnética continuou até a escala dos nanossegundos.
O vídeo oficial SwissFEL – the latest large-scale facility at the Paul Scherrer Institute apresenta o acelerador suíço de raios X utilizado na pesquisa e explica como seus pulsos ultracurtos permitem estudar transformações rápidas nos materiais.
Como os magnons conseguem conservar energia por tanto tempo?
Os magnons representam excitações coletivas dos spins eletrônicos, enquanto os fônons correspondem às vibrações quantizadas da estrutura cristalina. Quando esses fenômenos interagem, a energia pode passar do sistema magnético para os movimentos dos átomos.
Entretanto, essa transferência precisa respeitar condições de conservação de energia e momento. Como magnons e fônons apresentam relações diferentes entre essas grandezas, algumas interações tornam-se pouco eficientes. O resultado é um gargalo microscópico que prolonga a recuperação das excitações magnéticas.
Como os raios X revelaram movimentos que acontecem em bilionésimos de segundo?
O estudo publicado na revista Nature Communications, em 29 de setembro de 2026, foi liderado por Arnau Romaguera e Hiroki Ueda, do Instituto Paul Scherrer, na Suíça, com participação de pesquisadores de outras instituições europeias.
A equipe combinou espalhamento difuso ressonante de raios X resolvido no tempo, técnicas complementares e simulações cinéticas quânticas. Os experimentos utilizaram o laser de elétrons livres SwissFEL e instalações do síncrotron ESRF, na França, permitindo acompanhar a evolução das excitações em diferentes momentos.
O que as escalas de tempo revelaram sobre a energia magnética?
Uma das principais contribuições foi mostrar que a recuperação magnética não acontece em uma única etapa. Primeiro ocorre a perturbação da ordem dos spins; depois, os magnons redistribuem sua energia; finalmente, parte dela passa para outras excitações da estrutura cristalina.
As escalas envolvidas diferem por fatores de mil. Um femtossegundo corresponde a um quadrilionésimo de segundo, enquanto um nanossegundo equivale a um bilionésimo. Embora ambos sejam intervalos extremamente curtos, essa diferença é significativa para dispositivos que dependem de operações ultrarrápidas.
| Etapa observada | Escala temporal | Fenômeno dominante |
|---|---|---|
| Excitação inicial | Femtossegundos | Perturbação dos spins e geração de magnons |
| Redistribuição magnética | Picossegundos | Interação entre magnons |
| Recuperação lenta | Nanossegundos | Transferência de energia para fônons |
| Medição experimental | Múltiplas escalas | Espalhamento de raios X e simulações |
Por que a descoberta pode ajudar a desenvolver tecnologias de spintrônica?
Na eletrônica convencional, a movimentação de cargas elétricas produz dissipação de energia. A spintrônica procura utilizar também o spin dos elétrons, enquanto a magnônica investiga o transporte de informação por ondas magnéticas.
Compreender por quanto tempo essas ondas permanecem ativas pode ajudar a projetar materiais com propriedades ajustáveis para processamento e armazenamento de informação. Entretanto, o experimento não apresentou um processador funcional nem demonstrou redução direta no consumo energético. Sua contribuição está em revelar mecanismos físicos que poderão orientar futuras tecnologias.
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