À medida que as exigências computacionais continuam a aumentar, os cientistas estão a explorar o mundo quântico para encontrar formas mais inteligentes de processar grandes quantidades de dados. Uma direção promissora é o campo da eletrônica orbital, que se concentra em aproveitar o movimento dos elétrons em torno dos núcleos atômicos, chamado momento angular orbital, para transportar e armazenar informações de forma mais eficiente. Tradicionalmente, controlar esse movimento requer materiais magnéticos como o ferro, que são volumosos, caros e difíceis de transformar em dispositivos reais.
Um novo estudo apresenta agora uma maneira mais simples de produzir esse movimento orbital em elétrons. A chave está em um campo emergente da física centrado em fônons quirais.
Fônons quirais trazem avanço
Pesquisadores demonstraram pela primeira vez que fônons quirais podem transferir diretamente o momento angular orbital para elétrons em materiais não magnéticos. A descoberta elimina uma limitação importante que há muito impedia o desenvolvimento da eletrônica orbital.
“Tradicionalmente, a geração de corrente orbital requer a injeção de corrente de carga em metais de transição específicos, muitos dos quais são agora classificados como materiais críticos”, disse Dali Sun, físico da Universidade Estadual da Carolina do Norte e coautor do estudo. “Existem outras maneiras de gerar momento angular orbital, mas esta abordagem permite o uso de materiais mais baratos e abundantes”.
“Não precisamos de ímanes. Não precisamos de baterias. Não precisamos de usar tensões. Só precisamos de um material com fônons quirais”, acrescentou Valy Vardeny, Distinto Professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Utah e co-autor do estudo. “Antes, isso era impensável. Agora, podemos dizer, inventamos um novo campo.”
A pesquisa foi liderada pela Universidade Estadual da Carolina do Norte, com contribuições de diversas instituições, incluindo a Universidade de Utah, e foi publicada na revista física natural.
Aprenda sobre quiralidade e movimento atômico
Esse avanço depende da maneira como os átomos estão organizados e como eles se movem dentro do material. Nos sólidos, os átomos formam uma estrutura reticulada compactada. Em muitos materiais, como metais, essas estruturas são simétricas, o que significa que suas imagens espelhadas parecem idênticas.
Os materiais quirais são diferentes. Em substâncias como o quartzo, os átomos estão dispostos em espiral, semelhante às roscas de um parafuso. Essas estruturas têm uma torção embutida, tanto para a esquerda quanto para a direita, que não pode ser sobreposta à sua imagem espelhada. A mão humana é um exemplo simples de quiralidade.
Os átomos nos sólidos não são estáticos. Eles vibram no lugar. Em materiais simétricos, esse movimento tende a ser lateral. Em materiais quirais, a estrutura torcida faz com que os átomos se movam em um padrão circular ou espiral.
Como os fônons quirais movem a energia
Essas vibrações podem se propagar através do material como ondas coletivas chamadas fônons. Em materiais quirais, essas ondas também seguem um movimento circular, formando fônons quirais. Uma forma útil de imaginar isto é uma multidão num concerto, uma das quais começa a balançar e o movimento espalha-se pela multidão.
Como os átomos se movem ao longo de trajetórias circulares, eles carregam momento angular. Os pesquisadores mostraram que esse movimento pode ser transferido diretamente para os elétrons, dando-lhes momento angular orbital sem depender de métodos magnéticos tradicionais.
Quartzo revela efeitos magnéticos ocultos
Os elétrons têm carga negativa, portanto geralmente é necessário um campo magnético para afetar seu movimento. No entanto, o quartzo tem vantagens surpreendentes. É leve e barato, e seus fônons quirais criam seus próprios efeitos magnéticos internos.
Cientistas da Universidade de Utah são os primeiros a medir diretamente o magnetismo no quartzo usando equipamento especializado no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, na Flórida. Ao apontar um laser para o material e estudar como a cor, o comprimento de onda, etc. da luz refletida mudam, eles confirmaram que os fônons quirais no quartzo geram campos magnéticos significativos.
“Embora o material em si não seja magnético, a presença de fônons quirais nos dá essas alavancas magnéticas para puxar”, disse Rikard Bodin, estudante de doutorado na universidade e coautor do artigo. “Quando falamos sobre descobrir coisas, como o efeito Seebeck orbital, não posso dizer que sua TV vai funcionar com ele, mas está criando mais alavancas que podemos usar para fazer coisas novas. Agora que está aqui, outras pessoas podem impulsioná-lo e, antes que você perceba, está em toda parte. Essa é a tecnologia.”
Alinhando fônons para impulsionar o fluxo de elétrons
Em condições normais, os fônons quirais existem em uma mistura de estados canhotos e destros com diferentes níveis de energia. Para testar seu conceito, os pesquisadores usaram quartzo alfa, um cristal com estrutura naturalmente quiral. Ao aplicar um campo magnético, eles conseguiram alinhar esses fônons.
Uma vez alinhados um número suficiente de fônons, seu movimento coletivo é transferido para os elétrons, mesmo que o campo magnético externo seja removido. Isso cria um fluxo de momento angular orbital, que a equipe chamou de efeito orbital Seebeck, inspirando-se no efeito spin Seebeck que afeta o spin dos elétrons.
Para detectar esse efeito, os cientistas colocaram metais (tungstênio e titânio) em camadas sobre o quartzo alfa. O dispositivo converte movimentos orbitais ocultos em sinais elétricos mensuráveis.
Rumo a uma eletrônica mais eficiente
Este método não se limita ao quartzo. Também pode ser aplicado a outros materiais quirais, como telúrio, selênio e perovskitas híbridas orgânicas/inorgânicas. Requer menos material e permite que o movimento orbital dure mais do que os métodos existentes.
Esta combinação de simplicidade, eficiência e escalabilidade poderia tornar a eletrónica orbital uma opção mais prática para tecnologias futuras, conduzindo potencialmente a dispositivos mais rápidos e com maior eficiência energética.
O estudo envolveu uma extensa colaboração de pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte, da Universidade de Utah, da Universidade Normal de Nanjing, do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, da Universidade de Washington, da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, da Universidade da Carolina do Sul e da Universidade Estadual da Pensilvânia.
