Long-lived nonequilibrium spin configuration induced by dual optical excitation

O magnetismo é frequentemente pensado como uma propriedade estática, uma qualidade permanente de materiais como o ferro que simplesmente existe. Na realidade, no entanto, o estado magnético de um material é um equilíbrio dinâmico, um constante cabo de guerra entre os minúsculos spins dos eletrons e o calor do ambiente circundante. Quando cientistas incidem um pulso de laser poderoso e ultrarrápido sobre um material magnético, eles podem interromper esse equilíbrio em uma fração de segundo, forçando o material a um estado muito distante de seu equilíbrio natural. Este campo de estudo, conhecido como magnetismo ultrarrápido, visa compreender como esses spins reagem e se estabilizam novamente. O desafio reside na velocidade do processo: em metais, a energia de um pulso de laser espalha-se e transforma-se em calor quase instantaneamente, geralmente dentro de alguns trilionésimos de segundo. Uma vez que isso acontece, o material comporta-se como um objeto quente a arrefecer, e os estados não térmicos únicos que poderiam permitir novas formas de controlar o magnetismo desaparecem. Durante décadas, os investigadores lutaram para encontrar uma forma de manter estes estados especiais e não térmicos vivos o tempo suficiente para serem úteis, uma vez que a tendência natural do sistema é regressar a um simples equilíbrio térmico.

Uma equipa de investigadores descobriu agora uma forma de contornar este rápido regresso ao calor através de um truque específico com a luz. Em vez de atingir uma fina película de uma liga magnética chamada GdFeCo com um único pulso de laser, eles atingiram-na com dois pulsos ao mesmo tempo. O material que estudaram é uma película amorfa, o que significa que os seus átomos estão arranjados aleatoriamente em vez de numa grelha cristalina, e possui uma propriedade única onde o seu magnetismo pode ser facilmente manipulado pela luz. Ao ajustar cuidadosamente a intensidade destes dois pulsos simultâneos, os cientistas observaram algo inesperado: os spins magnéticos não apenas aqueceram e estabilizaram rapidamente. Em vez disso, entraram num estado onde a sua oscilação, ou bamboleio, durou centenas de picosegundos — centenas de trilionésimos de segundo — muito mais do que o habitual. Este estado prolongado sugere que o material foi mantido numa configuração não térmica específica que não ocorre quando o material é atingido por um único pulso, mesmo que a quantidade total de energia entregue seja a mesma.

O experimento foi desenhado para distinguir entre duas causas possíveis para este comportamento estranho. Quando dois feixes de laser atingem uma superfície em ângulos ligeiramente diferentes, criam um padrão de riscas claras e escuras, tal como as ondulações formadas quando duas pedras são lançadas num lago. Este padrão significa que algumas partes do material ficam mais quentes do que outras, o que poderia, teoricamente, fazer com que os spins magnéticos perdessem o seu ritmo em diferentes taxas, fazendo com que o sinal geral parecesse dissipar-se mais rapidamente. Os investigadores sabiam que este "desfasamento magnetostático" era um efeito real que acontecia cedo, mas precisavam de ver se algo mais estava a acontecer mais tarde. Eles estabeleceram uma configuração simétrica onde podiam mudar gradualmente a intensidade de um feixe de laser enquanto mantinham o outro fixo, deslizando efetivamente de um cenário de pulso único para um cenário de pulso duplo. Descobriram que, num intervalo de energia total muito específico, o comportamento do material mudou dramaticamente. O bamboleio magnético tornou-se muito mais estável, durando muito mais tempo do que em qualquer outro intervalo de energia, e a sua frequência aumentou ligeiramente.

Esta janela específica de energia é a chave para a descoberta. Se o efeito fosse simplesmente causado pelo padrão de calor ou pela quantidade total de energia, as mudanças teriam ocorrido gradualmente à medida que a energia aumentava. Em vez disso, os investigadores observaram uma mudança nítida e distinta que só ocorreu quando ambos os pulsos estavam presentes juntos. Eles mediram a duração deste efeito analisando o sinal em janelas de tempo deslizantes, movendo-se desde os primeiros momentos após o impacto do laser até vários centenas de picosegundos depois. Descobriram que a interrupção inicial causada pelo padrão de calor desapareceu rapidamente, em cerca de 100 picosegundos. No entanto, a estabilidade aumentada do bamboleio magnético persistiu durante toda a duração da sua medição, durando pelo menos 300 picosegundos. Esta longa duração prova que o efeito não é apenas uma confusão temporária causada pelo aquecimento desigual, mas uma mudança fundamental na forma como o material relaxa. O material estava efetivamente "preso" num estado onde os spins podiam continuar a mover-se em uníssono por muito mais tempo do que a física normalmente permite.

Para compreender o que estava a acontecer dentro do material, os investigadores observaram as regras microscópicas que governam como os eletrons perdem o seu spin. Nos metais, os eletrons costumam colidir com átomos ou outros eletrons e, durante estas colisões, há uma pequena probabilidade de inverterem a direção do seu spin, o que causa a rutura da ordem magnética. Este processo é governado por um parâmetro que descreve a facilidade com que o spin pode misturar-se com o movimento do eletron. Os investigadores descobriram que a excitação de pulso duplo parecia reduzir esta probabilidade de mistura. Em termos mais simples, os dois lasers a trabalhar juntos pareciam criar um ambiente eletrónico onde os eletrons eram menos propensos a inverter os seus spins durante as colisões. Esta redução na inversão de spin permitiu que o movimento magnético coletivo sobrevivesse por muito mais tempo. O facto de a frequência do bamboleio também ter aumentado ligeiramente sugere que este não foi apenas um efeito térmico, pois o aquecimento de um íman normalmente faz com que ele balance mais lentamente, e não mais rapidamente.

O estudo descarta a ideia de que isto seja meramente um resultado do material estar a aquecer-se ou do padrão espacial da luz interferir na medição. Os investigadores mostraram que o efeito é reprodutível e depende do caminho específico que a luz percorre para excitar o material, e não apenas da quantidade total de energia depositada. Eles também descartaram a possibilidade de o sinal ser uma mistura confusa de diferentes frequências, confirmando que o material estava a oscilar como uma unidade única e coerente. As descobertas sugerem que, ao utilizar dois campos de luz coerentes simultaneamente, os cientistas podem conduzir o estado eletrónico de um material para uma configuração que é inacessível com um único pulso. Esta configuração é um estado de não-equilíbrio de longa duração, onde as regras de relaxação do spin são temporariamente alteradas.

Este trabalho abre uma nova perspetiva sobre como podemos controlar materiais magnéticos. Demonstra que a forma como a energia é entregue — o caminho específico e o tempo da excitação — importa tanto quanto a própria quantidade de energia. Ao escolher a combinação certa de pulsos de luz, é possível aceder a estados ocultos da matéria que não estão disponíveis através do aquecimento convencional ou da excitação de pulso único. Embora os detalhes microscópicos exatos de como os dois campos de luz interagem para criar este estado permaneçam um objeto de investigação futura, o resultado é claro: o método de pulso duplo fornece uma nova ferramenta para a engenharia de propriedades magnéticas. Sugere que, no futuro, poderemos usar a luz não apenas para aquecer ou alternar ímanes, mas para estabilizar estados magnéticos específicos por períodos mais longos, levando potencialmente a novas formas de processamento de informação ou armazenamento de dados que operam em escalas de tempo e princípios anteriormente considerados impossíveis.