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Essas formas de balão e disco representam um orbital de elétrons - uma nuvem de elétrons difusa em torno do núcleo de um átomo - em duas orientações diferentes. Os cientistas esperam um dia usar variações nas orientações dos orbitais como os 0s e 1s necessários para fazer cálculos e armazenar informações nas memórias dos computadores, um sistema conhecido como orbitronics. Um estudo do SLAC mostra que é possível separar essas orientações orbitais dos padrões de rotação do elétron, um passo fundamental para controlá-los independentemente em uma classe de materiais que é a pedra angular da moderna tecnologia da informação. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Ao projetar dispositivos eletrônicos, os cientistas buscam maneiras de manipular e controlar três propriedades básicas dos elétrons: sua carga; seus estados de rotação, que dão origem ao magnetismo; e as formas das nuvens nebulosas que eles formam ao redor dos núcleos de átomos, conhecidos como orbitais.
Até agora, pensava-se que os spins e orbitais de elétrons andavam de mãos dadas em uma classe de materiais que é a pedra angular da moderna tecnologia da informação; você não poderia mudar rapidamente um sem alterar o outro. Mas um estudo realizado no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia mostra que um pulso de luz laser pode alterar drasticamente o estado de rotação de uma classe importante de materiais, mantendo intacto o estado orbital.
Os resultados sugerem um novo caminho para criar uma futura geração de dispositivos lógicos e de memória baseados em "orbitronics", disse Lingjia Shen, pesquisadora do SLAC e um dos principais pesquisadores do estudo.
"O que estamos vendo neste sistema é o completo oposto do que as pessoas viram no passado", disse Shen. "Isso aumenta a possibilidade de podermos controlar separadamente os estados orbital e de rotação de um material, e usar variações nas formas dos orbitais como os 0s e 1s necessários para fazer cálculos e armazenar informações nas memórias de computador".
A equipe de pesquisa internacional, liderada por Joshua Turner, cientista da equipe SLAC e investigador do Instituto Stanford de Ciência de Materiais e Energia (SIMES), relatou seus resultados esta semana na Physical Review B Rapid Communications .
Um material intrigante e complexo
O material que a equipe estudou foi um material quântico à base de óxido de manganês conhecido como NSMO, que vem em camadas cristalinas extremamente finas. Ele existe há três décadas e é usado em dispositivos onde as informações são armazenadas usando um campo magnético para alternar de um estado de rotação de elétrons para outro, um método conhecido como spintrônica. O NSMO também é considerado um candidato promissor para a fabricação de futuros computadores e dispositivos de armazenamento de memória baseados em skyrmions, pequenos vórtices semelhantes a partículas criados pelos campos magnéticos dos elétrons em rotação.
Mas esse material também é muito complexo, disse Yoshinori Tokura, diretor do RIKEN Center for Emergent Matter Science no Japão, que também participou do estudo.
Em experimentos SLAC, os cientistas atingiram um material quântico com pulsos de luz laser (em cima) para ver como isso afetaria os padrões em zigue-zague (meio) em sua estrutura atômica, feita pelas direções de rotação dos elétrons (setas pretas) e pelas orientações dos orbitais de elétrons ( formas de balão vermelho). Eles ficaram surpresos ao descobrir que os pulsos interrompiam os padrões de rotação, deixando intactos os padrões orbitais (abaixo). Isso aumenta a possibilidade de que os estados de rotação e orbital possam ser controlados independentemente para produzir dispositivos eletrônicos muito mais rápidos. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
"Ao contrário dos semicondutores e de outros materiais familiares, o NSMO é um material quântico cujos elétrons se comportam de maneira cooperativa ou correlacionada, e não independentemente, como costumam fazer", disse ele. "Isso dificulta o controle de um aspecto do comportamento dos elétrons sem afetar todos os outros".
Uma maneira comum de investigar esse tipo de material é atingi-lo com luz laser para ver como seus estados eletrônicos respondem a uma injeção de energia. Foi o que a equipe de pesquisa fez aqui. Eles observaram a resposta do material com pulsos de laser de raios X da fonte de luz coerente Linac (LCLS) do SLAC.
Um derrete, o outro não
O que eles esperavam ver era que padrões ordenados de spins e orbitais de elétrons no material seriam lançados em total desordem, ou "derretidos", à medida que absorviam pulsos de luz laser infravermelha .
Mas, para surpresa deles, apenas os padrões de rotação derreteram, enquanto os padrões orbitais permaneceram intactos, disse Turner. O acoplamento normal entre os estados de rotação e orbital foi completamente quebrado, disse ele, o que é uma coisa desafiadora a se fazer nesse tipo de material correlacionado e nunca havia sido observado antes.
Tokura disse: "Normalmente, apenas uma pequena aplicação de fotoexcitação destrói tudo. Aqui, eles foram capazes de manter o estado eletrônico mais importante para dispositivos futuros - o estado orbital - sem danos. Esta é uma boa e nova adição à ciência da orbitrônica e elétrons correlacionados ".
Assim como os estados de spin eletrônico são trocados na spintrônica, os estados orbitais eletrônicos podem ser alterados para fornecer uma função semelhante. Esses dispositivos orbitrônicos poderiam, em teoria, operar 10.000 mais rápido que os dispositivos spintrônicos, disse Shen.
A alternância entre dois estados orbitais poderia ser possível usando pequenas rajadas de radiação terahertz, em vez dos campos magnéticos usados hoje, ele disse: "A combinação dos dois pode alcançar um desempenho muito melhor do dispositivo para futuras aplicações". A equipe está trabalhando em maneiras de fazer isso.
Explorar mais
Mais informações: L. Shen et al., Desacoplando correlações spin-orbitais em um manganito em camadas em meio à excitação de banda de transferência de carga hibridizada ultra-rápida, Physical Review B (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevB.101.201103
Informações da revista: Revisão Física B
Fornecido pelo SLAC National Accelerator Laboratory
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HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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