À medida que as exigências computacionais continuam a crescer, os cientistas estão a explorar o mundo quântico em busca de formas inteligentes de processar grandes quantidades de dados. Uma direção promissora é um campo chamado orbittrônica, 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, esse controle de movimento exigia materiais magnéticos como o ferro, que eram pesados, caros e difíceis de escalar para instrumentação prática.
Um novo estudo introduziu agora um método simples para criar esse movimento orbital em elétrons. A chave está em uma área emergente da física centrada em honras quirais.
Os fônons quirais oferecem um avanço
Pela primeira vez, os pesquisadores mostraram 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 corrente de carga em certos metais de transição, e muitos desses elementos são agora classificados como elementos 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 este método permite o uso de materiais mais baratos e abundantes”.
“Não precisamos de ímanes. Não precisamos de baterias. Não precisamos de usar tensões. Precisamos apenas de um material com fônons quirais”, acrescentou Vali Verdeni, distinto professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Utah e co-autor do estudo. “Antes era inimaginável. Agora inventamos um novo campo, por assim dizer.”
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 da Natureza.
Compreendendo a quiralidade e o movimento atômico
Os avanços dependem de como os átomos estão dispostos e como se movem dentro do material. Nos sólidos, os átomos formam uma estrutura reticulada firmemente compactada. Em muitos materiais, como metais, essas estruturas são simétricas, o que significa que sua imagem espelhada parece idêntica.
Os materiais quirais são diferentes. Em materiais como o quartzo, os átomos estão dispostos em espiral, como as roscas de um parafuso. Essas estruturas têm uma torção embutida, seja para a esquerda ou para a direita, que não pode ser sobreposta à sua imagem espelhada. A mão humana é um exemplo simples de imortalidade.
Os átomos dos sólidos não são fixos. Eles vibram no lugar. Em materiais simétricos, esse movimento é lateral. Em materiais quirais, os átomos se movem em um padrão circular ou espiral devido à estrutura curvada.
Como os fônons quirais movem a energia?
Essas vibrações podem viajar através de um material como ondas coletivas conhecidas como fônons. Em materiais quirais, essas ondas seguem um movimento circular, criando fônons quirais. Uma maneira útil de imaginar isso é uma multidão em um show onde uma pessoa começa a balançar e o movimento se espalha pelo grupo.
Como 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 mecanismos magnéticos tradicionais.
Quartzo revela efeitos magnéticos ocultos
Os elétrons carregam uma carga negativa, então geralmente são necessários campos magnéticos para afetar seu movimento. O quartzo, entretanto, oferece uma vantagem surpreendente. É leve, barato e seus fônons quirais criam seus próprios efeitos magnéticos intrínsecos.
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 muda de cor, comprimento de onda, etc., eles confirmaram que os fônons quirais no quartzo geram um campo magnético significativo.
“Embora o material em si não seja magnético, a existência de fônons quirais nos permite acionar essas alavancas magnéticas”, disse Ricard Bodin, doutorando na U e coautor do artigo. “Quando falamos sobre inventar coisas como o efeito Seebeck orbital – não posso dizer se a sua TV funcionará com ele, mas está criando mais alavancas que podemos usar para fazer coisas novas. Agora está aqui, outra pessoa pode empurrá-lo, e antes que você perceba, é onipresente. É assim que a tecnologia é.”
Alinhando fônons para impulsionar o fluxo de elétrons
No estado normal, os fônons quirais existem em uma mistura de estados canhotos e destros com diferentes níveis de energia. Para testar a ideia, 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 um número suficiente de fônons, seu momento coletivo é transferido para o elétron, mesmo depois que o campo magnético externo é removido. Isso criou um fluxo de momento angular orbital, que a equipe chamou de efeito orbital Seebeck, inspirando-se no efeito spin Seebeck que afeta o spin do elétron.
Para detectar esse efeito, os cientistas colocaram metais em camadas (tungstênio e titânio) sobre o α-quartzo. Esta configuração converteu o movimento orbital oculto em um sinal elétrico que poderia ser medido.
Rumo a uma eletrônica mais eficiente
O método 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 materiais e permite que o movimento orbital dure 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.
A pesquisa envolveu extensa colaboração com pesquisadores de instituições como Universidade Estadual da Carolina do Norte, Universidade 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 Alto Campo Magnético, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e Universidade Penlance, Universidade da Carolina do Sul.
