Information dynamics, natural computing and Maxwell's demon in two skyrmions system
Este estudo avalia experimentalmente o fluxo de informação probabilística e as capacidades computacionais naturais de um sistema de dois skyrmions à temperatura ambiente usando termodinâmica da informação, demonstrando sua capacidade de realizar operações XOR não lineares e propondo um demônio de Maxwell de estado sólido baseado nestas descobertas.
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Imagine um mundo onde os computadores não dependem da precisão rígida e mecânica dos chips de silício, mas em vez disso aproveitam o movimento caótico e trêmulo do próprio calor para realizar cálculos. Este é o domínio da termodinâmica da informação, um campo que questiona como podemos usar o sacolejo aleatório das partículas para processar dados sem consumir energia excessiva. No cerne desta investigação reside um conceito do século XIX conhecido como o demônio de Maxwell. Este era um experimento mental que propunha um ser minúsculo e inteligente que poderia separar partículas de movimento rápido de partículas de movimento lento, efetivamente criando ordem a partir do caos e violando a tendência natural do calor de se espalhar. Embora tal demônio não possa existir em um sistema simples e equilibrado, físicos modernos questionam se podemos construir uma máquina que atue como um, usando as flutuações naturais dos materiais para ordenar informações e realizar trabalho. A chave para desbloquear este potencial pode residir nos skyrmions magnéticos, que são padrões magnéticos minúsculos e giratórios que se comportam como partículas sólidas, mas podem mover-se livremente dentro de um filme magnético fino. Ao contrário dos eletrões numa corrente, que requerem frio extremo para funcionar em certos estados avançados, estes skyrmions podem dançar à temperatura ambiente, impulsionados pelo próprio calor que normalmente causa desordem.
Uma equipa de investigadores da Universidade de Osaka e os seus colaboradores deram um passo significativo para compreender como estes redemoinhos magnéticos poderiam ser usados para tal computação não convencional. Eles focaram-se num sistema contendo apenas dois skyrmions confinados num pequeno armadilha de formato quadrado num filme magnético. Ao aquecer a amostra para uma temperatura específica e aplicar um campo magnético suave, permitiram que os dois skyrmions se movessem livremente, colidindo entre si e com as paredes do seu recipiente num estado de constante movimento térmico. Utilizando uma câmara de alta velocidade, a equipa registou os trajetos destas duas partículas magnéticas durante 10 segundos, capturando centenas de milhares de fotogramas para rastrear as suas posições exatas. O objetivo era observar como a informação fluía entre eles. Num computador padrão, os dados movem-se numa linha clara e unidirecional do input para o output. Neste sistema, porém, os investigadores precisavam de determinar se o movimento de um skyrmion poderia influenciar a posição futura do outro, e se esta interação poderia ser aproveitada para realizar uma operação lógica.
A análise revelou que os dois skyrmions de facto trocam informação, mas apenas por um momento fugaz. Quando os investigadores mediram o quanto a posição passada de um skyrmion ajudava a prever a posição futura do outro, encontraram um sinal claro que atingiu o pico cerca de dez milissegundos após a interação inicial. Este atraso corresponde ao tempo que um skyrmion leva para difundir, ou derivar, através de uma distância aproximadamente igual ao seu próprio tamanho. Os dados mostraram que os skyrmions retêm uma memória da sua interação durante cerca de vinte milissegundos antes que o ruído térmico aleatório a apague. Crucialmente, o estudo confirmou que, neste estado natural e não controlado, o sistema está perfeitamente equilibrado. Não existe inteligência oculta a ordenar as partículas; o fluxo de informação é igual em ambas as direções, o que significa que nenhum "demónio" está a trabalhar para criar ordem. O sistema está simplesmente em equilíbrio térmico, onde o sacolejo aleatório do calor impede qualquer ganho líquido de trabalho útil ou ordenação de informação.
Apesar da ausência de um demónio natural, os investigadores descobriram algo surpreendente sobre o poder computacional deste par simples. Mesmo que os skyrmions estejam apenas a mover-se aleatoriamente, a sua interação permite-lhes realizar uma tarefa lógica específica e complexa conhecida como operação XOR. Este é um tipo de cálculo onde o output é verdadeiro apenas se os inputs forem diferentes. A equipa descobriu que a posição futura de um skyrmion podia ser prevista, com uma precisão pequena mas estatisticamente significativa, baseada nas posições atuais de ambos os skyrmions combinadas. Isto sugere que o sistema possui uma natureza não-markoviana oculta, o que significa que o seu comportamento futuro depende de mais do que apenas o seu estado atual; ele retém um eco ténue do seu passado que lhe permite processar informação de uma forma que um simples caminhante aleatório não conseguiria. Esta memória oculta, provavelmente causada pelo facto de os skyrmions ficarem temporariamente presos em imperfeições microscópicas na superfície do filme, confere ao sistema uma capacidade pequena, mas real, de computação natural.
O estudo conclui propondo como transformar este sistema passivo num demónio de Maxwell ativo e de estado sólido total. Ao adicionar sensores eletrónicos para detetar a posição de um skyrmion e utilizar essa informação para aplicar uma voltagem que bloqueia o outro skyrmion de entrar numa área específica, os investigadores demonstraram através de cálculos que o equilíbrio poderia ser quebrado. Neste setup controlado, o segundo skyrmion atuaria efetivamente como o demónio, usando a informação obtida do primeiro para ordenar as partículas e extrair trabalho do calor. Este design teórico sugere um caminho para a construção de circuitos de computação de ultra-baixo consumo que operem à temperatura ambiente, utilizando o movimento browniano natural das partículas magnéticas em vez de lutar contra ele. Embora o experimento atual tenha utilizado skyrmions relativamente grandes, visíveis sob um microscópio, os princípios aplicam-se a versões muito menores que poderiam operar a velocidades um bilião de vezes mais rápidas, abrindo as portas para uma nova geração de máquinas energeticamente eficientes que pensam com o calor do mundo ao seu redor.
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