À medida que as exigências computacionais continuam a crescer, os cientistas estão a explorar o mundo quântico em busca de formas mais inteligentes de processar grandes quantidades de dados. Uma direção promissora é um campo chamado orbitrônica, que se concentra no uso do movimento dos elétrons em torno do núcleo de um átomo, conhecido como momento angular orbital, para transportar e armazenar informações de forma mais eficiente. Tradicionalmente, a condução desse movimento requer materiais magnéticos como o ferro, que são pesados, caros e difíceis de dimensionar para dispositivos práticos.
Novas pesquisas forneceram uma abordagem muito mais simples para criar esse movimento orbital dos elétrons. A chave está em um novo campo da física centrado em fônons quirais.
Controlando fônons – um avanço
Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram que os fônons quirais podem transferir diretamente o momento angular orbital para os elétrons em um material não magnético. Esta descoberta elimina uma limitação importante que há muito tempo impedia a orbitrônica.
“A geração de correntes orbitais tradicionalmente exigia a injeção de uma corrente de carga em certos metais de transição, e muitos desses elementos são agora classificados como materiais importantes”, disse Dali Sun, físico da Universidade Estadual da Carolina do Norte e coautor do estudo. “Existem outras maneiras de criar momento angular orbital, mas este método nos permite usar materiais mais baratos em maiores quantidades”.
“Não precisamos de um ímã. Não precisamos de uma bateria. Não precisamos de usar voltagem. Precisamos apenas de um material com fônons quirais”, acrescentou Vali Vardeni, distinto professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Utah e coautor do estudo. “Antes era inimaginável. Agora inventamos, por assim dizer, um novo campo.”
A pesquisa, liderada pela Universidade Estadual da Carolina do Norte com a participação de várias instituições, incluindo a Universidade de Utah, foi publicada na revista Física da natureza.
Compreendendo a quiralidade e o movimento atômico
O progresso depende de como os átomos estão organizados e como se movem dentro dos materiais. Nos sólidos, os átomos formam estruturas reticuladas fortemente compactadas. Em muitos materiais, como metais, essas estruturas são simétricas, o que significa que suas imagens espelhadas têm a mesma aparência.
Os materiais quirais são diferentes. Em substâncias como o quartzo, os átomos estão dispostos em espiral, semelhante às roscas de um parafuso. Essas estruturas possuem uma rotação embutida, canhota ou destra, que não pode ser sobreposta. As mãos humanas são um exemplo simples de quiralidade.
Os átomos nos sólidos não são estáticos. Eles vibram no lugar. Em materiais simétricos, esse movimento tende a ser de um lado para o outro. Em materiais quirais, a estrutura torcida faz com que os átomos se movam num padrão circular ou helicoidal.
Como os fônons quirais movem a energia
Essas vibrações podem se propagar através do material como ondas coletivas conhecidas como fônons. Em materiais quirais, essas ondas também se movem em círculo, formando fônons quirais. Uma maneira útil de pensar nisso é uma multidão em um show, onde uma pessoa começa a balançar e o movimento se espalha para o grupo.
À medida que os átomos se movem em uma trajetória circular, eles carregam momento angular. Os pesquisadores mostraram que esse movimento pode ser transmitido diretamente aos elétrons, dando-lhes momento angular orbital, sem depender de métodos magnéticos tradicionais.
Quartzo revela efeitos magnéticos ocultos
Os elétrons carregam uma carga negativa, então geralmente são necessários campos magnéticos para influenciar seu movimento. No entanto, o quartzo oferece uma vantagem surpreendente. É leve, barato e seus fônons quirais criam seus próprios efeitos magnéticos internos.
Pela primeira vez, cientistas da Universidade de Utah mediram diretamente esse magnetismo em quartzo usando equipamento especial no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, na Flórida. Ao direcionar lasers através do material e estudar como a luz refletida mudou de cor, comprimento de onda, etc., eles confirmaram que os fônons quirais no quartzo criam um campo magnético significativo.
“Mesmo que o material em si não seja magnético, a existência de fônons quirais nos permite usar essas alavancas magnéticas”, disse Ricard Bodin, pós-doutorado na universidade e coautor do artigo. “Quando falamos sobre a descoberta de coisas como o efeito Seebeck orbital, não posso dizer que sua TV funcionará nisso, mas cria mais alavancagem que podemos usar para fazer coisas novas. Agora que está aqui, outra pessoa pode impulsioná-lo e, antes que você perceba, está em toda parte. Essas tecnologias.”
Alinhamento de fônons para controlar o fluxo de elétrons
Sob condições normais, os fônons quirais existem em uma combinação de estados esquerdo e direito com diferentes níveis de energia. Para testar seu conceito, os pesquisadores usaram o α-quartzo, um cristal com estrutura naturalmente quiral. Ao aplicar um campo magnético, eles conseguiram alinhar esses fônons.
Uma vez alinhados fônons suficientes, seu movimento coletivo foi transferido para os elétrons, mesmo após a remoção do campo magnético externo. Isso causou um fluxo de momento angular orbital, que a equipe chamou de efeito Seebeck orbital, inspirando-se no efeito spin Seebeck, que afeta o spin de um elétron.
Para revelar este efeito, os cientistas depositaram metais (tungstênio e titânio) no α-quartzo. Esta configuração converteu o movimento orbital latente em um sinal elétrico que poderia ser medido.
Rumo a uma eletrônica mais eficiente
A abordagem não se limita ao quartzo. Também pode ser aplicado a outros materiais quirais, como telúrio, selênio e perovskitas híbridas orgânicas/inorgânicas. Comparado aos métodos existentes, requer menos material e permite que o movimento orbital persista por muito mais tempo.
Esta combinação de simplicidade, eficiência e escalabilidade poderia tornar a orbitrónica uma opção mais prática para tecnologias futuras, conduzindo potencialmente a dispositivos mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos.
O estudo envolveu uma ampla colaboração de pesquisadores de instituições como Universidade Estadual da Carolina do Norte, Universidade Estadual de Utah, Universidade Normal de Nanjing, Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, Universidade de Washington, Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, Laboratório Nacional de Campo Magnético Forte, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Universidade da Carolina do Sul e Universidade Estadual da Pensilvânia.
