Os cientistas estão trabalhando duro para projetar as propriedades das nanoestruturas, como átomos e moléculas, para realizar dispositivos lógicos eficientes que podem operar na escala fundamental da matéria - a escala dos átomos. Para tornar a "engenharia" possível nessa escala, os pesquisadores devem ser capazes de olhar para a estrutura interna de um átomo, a chamada estrutura orbital, onde os elétrons estão confinados em uma série de camadas.

Em um estudo publicado esta semana em ACS Nano , a pesquisa liderada pela QNS alcançou um resultado sem precedentes:identificar como os elétrons se distribuem entre os orbitais dos átomos e nanoestruturas. Usando geradores de raios-X de primeira linha, chamados síncrotrons, localizado na Espanha, Suíça, e Coréia, a equipe identificou um método para distinguir as propriedades de seus elétrons dependendo de seu orbital.

"Não tínhamos certeza se poderíamos realmente ter sensibilidade suficiente para sondar todos esses orbitais atômicos individualmente em estruturas tão minúsculas", disse o Prof. Fabio Donati, o investigador principal da QNS. “Esse resultado provou ser uma nova maneira de revelar o comportamento desses átomos e possivelmente guiar a engenharia de suas propriedades para realizar futuros dispositivos em escala atômica”.

Para este estudo, os pesquisadores se concentraram nos elementos lantanídeos - a linha adicional na parte inferior da tabela periódica. Esses elementos são atualmente investigados como ímãs em escala atômica em potencial para realizar bits clássicos ou quânticos para dispositivos de armazenamento de memória e lógica do futuro. Ser capaz de usá-los para esta finalidade pode permitir que a tecnologia opere na menor escala disponível, oferecendo um enorme potencial em termos de miniaturização.

Uma característica única desses elementos é que seus elétrons mais importantes, ou seja, aqueles que fornecem a maior parte da magnetização do átomo, estão localizados em orbitais específicos (chamados 4f) que estão escondidos nas profundezas dos átomos. Portanto, é difícil usar uma corrente elétrica para senti-los, o que poderia criar desafios para sua integração em dispositivos eletrônicos.

Os cientistas estão tentando estabelecer se os elétrons mais externos, e eletricamente acessível, orbitais podem ser usados ​​como um canal de leitura em vez dos elétrons mais ocultos. "Precisávamos encontrar uma técnica que pudesse medir os elétrons nesses átomos, literalmente orbital por orbital, para descobrir a maneira como eles cooperam e contribuem para as propriedades magnéticas do átomo ", diz o Dr. Aparajita Singha, de quem começou a pesquisa como um pós-doutorado na QNS e agora lidera um grupo no Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido.

O experimento foi realizado usando temperaturas muito baixas (-270 C) para manter os átomos de lantanídeos "congelados" em seu substrato de suporte, que é uma película de óxido de magnésio. Foi necessário usar campos magnéticos muito altos - 100, 000 vezes mais forte que o campo magnético da Terra - para magnetizar os átomos de lantanídeos e medir as propriedades de seus elétrons. Os pesquisadores usaram o raio-X para atingir elétrons muito perto do núcleo e excitá-los para os orbitais alvo que eles queriam sentir. "Embora essa abordagem fosse conhecida por funcionar para cristais compostos por uma grande coleção de átomos, se orbitais individuais poderiam ser medidos em átomos isolados era uma grande questão em aberto ", afirmou Donati." Você pode imaginar como foi emocionante ver os primeiros dados aparecendo na tela durante as medições. Só então percebemos que não havia uma teoria pronta para explicar nossos resultados. Ainda havia muito trabalho a ser feito. "

Em comparação com a fase de coleta de dados, que exigiu apenas algumas semanas de medições, a análise e o desenvolvimento de um modelo interpretativo mantiveram os cientistas ocupados por vários meses. Usando esta combinação da teoria do final do experimento, os pesquisadores puderam identificar como os elétrons foram distribuídos entre os orbitais atômicos. “Acreditamos que conhecer a estrutura desses átomos, orbital por orbital, fornecerá novas direções para projetar as propriedades de dispositivos futuros, como computadores quânticos e discos rígidos magnéticos ultradensos "concluiu Donati.