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  • Captura de elétrons em ação em um nanofio antiferromagnético

    Crédito:Michigan Technological University

    O elétron é uma das partículas fundamentais da natureza sobre a qual lemos na escola. Seu comportamento contém pistas para novas maneiras de armazenar dados digitais.

    Em um estudo publicado em Nano Letras , físicos da Michigan Technological University exploram materiais alternativos para melhorar a capacidade e diminuir o tamanho das tecnologias de armazenamento de dados digitais. Ranjit Pati, professor de física na Michigan Tech, conduziu o estudo e explicou a física por trás do novo design de nanofios de sua equipe.

    "Graças a uma propriedade chamada spin, elétrons se comportam como pequenos ímãs, "Pati disse." Semelhante a como a magnetização de uma barra magnética é dipolar, apontando do sul para o norte, os elétrons em um material têm vetores de momento dipolar magnético que descrevem a magnetização do material. "

    Quando esses vetores estão em orientação aleatória, o material não é magnético. Quando eles são paralelos entre si, é chamado de ferromagnetismo e alinhamentos antiparalelos são antiferromagnetismo. A tecnologia atual de armazenamento de dados é baseada em materiais ferromagnéticos, onde os dados são armazenados em pequenos domínios ferromagnéticos. É por isso que um ímã forte o suficiente pode bagunçar um telefone celular ou outro armazenamento eletrônico.

    Desafios de armazenamento de dados

    Dependendo da direção da magnetização (apontando para cima ou para baixo), os dados são registrados como bits (1 ou 0) em domínios ferromagnéticos. Contudo, existem dois gargalos, e ambos dependem da proximidade. Primeiro, traga um ímã externo muito perto, e seu campo magnético pode alterar a direção dos momentos magnéticos no domínio e danificar o dispositivo de armazenamento. E, segundo, cada domínio tem um campo magnético próprio, então eles não podem estar muito próximos um do outro. O desafio com menor, mais flexível, a eletrônica mais versátil é que eles exigem dispositivos que tornam mais difícil manter os domínios ferromagnéticos separados com segurança.

    "O empacotamento de dados de densidade ultra-alta seria uma tarefa difícil com domínios de memória ferromagnética, "Pati disse." Materiais antiferromagnéticos, por outro lado, estão livres desses problemas. "

    Por conta própria, os materiais antiferromagnéticos não são bons para dispositivos eletrônicos, mas não são influenciados por campos magnéticos externos. Essa capacidade de resistir à manipulação magnética começou a receber mais atenção da comunidade de pesquisa e a equipe de Pati usou uma teoria quântica preditiva de muitos corpos que considera as interações elétron-elétron. A equipe descobriu que nanofios dopados com cromo com núcleo de germânio e casca de silício podem ser um semicondutor antiferromagnético.

    Antiferromagnetismo

    Vários grupos de pesquisa demonstraram recentemente a manipulação de estados magnéticos individuais em materiais antiferromagnéticos usando corrente elétrica e lasers. Eles observaram a dinâmica de spin na frequência terahertz - muito mais rápida do que a frequência usada em nossos dispositivos de armazenamento de dados atuais. Esta observação abriu uma infinidade de interesses de pesquisa em antiferromagnetismo e pode levar a, mais rapidamente, armazenamento de dados de maior capacidade.

    "Em nosso trabalho recente, temos aproveitado com sucesso os recursos intrigantes de um antiferroímã em uma dimensão nanofio semicondutor compatível com óxido de metal complementar (CMOS) sem destruir a propriedade semicondutora do nanofio, "Pati disse." Isso abre possibilidades para eletrônicos menores e mais inteligentes, com maior capacidade de armazenamento e manipulação de dados. "

    Pati acrescenta que a parte mais emocionante da pesquisa para sua equipe foi descobrir o mecanismo que dita o antiferromagnetismo. O mecanismo é chamado de superexchange e controla o spin dos elétrons e o alinhamento antiparalelo que os torna antiferromagnéticos. No nanofio da equipe, elétrons de germânio agem como um intermediário, um trocador, entre átomos de cromo desconectados.

    "A interação entre os estados magnéticos dos átomos de cromo é mediada pelos átomos intermediários aos quais eles estão ligados. É um fenômeno magnético cooperativo, "Pati disse." De uma forma simples, digamos que haja duas pessoas A e B:elas estão distantes e não podem se comunicar diretamente. Mas A tem um amigo C e B tem um amigo D. C e D são amigos íntimos. Então, A e B podem interagir indiretamente por meio de C e D. "

    Uma melhor compreensão de como os elétrons se comunicam entre amigos atômicos permite mais experimentos para testar o potencial de materiais como nanofios dopados com cromo. Compreender melhor a natureza antiferromagnética do material nanofio de germânio-silício é o que aumenta o potencial para pequenas, mais esperto, eletrônica de maior capacidade.


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