A imagem à esquerda mostra a estrutura cristalina de uma heterobamada MoTe2 | PtS2 com gráficos de isocharge de um modelo criado na Rice University. Quando os materiais são empilhados, a simetria do espelho é quebrada e há uma transferência de carga que cria um campo elétrico intrínseco. Este campo é responsável pela divisão de spin do tipo Rashba mostrada pela estrutura de banda à direita, onde o spin é perpendicular ao momento. Crédito:Sunny Gupta
Uma nova teoria de cientistas da Rice University poderia impulsionar o crescente campo da spintrônica, dispositivos que dependem do estado de um elétron tanto quanto da força elétrica bruta necessária para empurrá-lo.
O teórico de materiais Boris Yakobson e o estudante de graduação Sunny Gupta da Rice's Brown School of Engineering descrevem o mecanismo por trás da divisão de Rashba, um efeito visto em compostos de cristal que podem influenciar os estados de spin "para cima" ou "para baixo" de seus elétrons, análogo a "on" ou "off" em transistores comuns.
'Spin' é um termo impróprio, já que a física quântica restringe os elétrons a apenas dois estados. Mas isso é útil, porque lhes dá o potencial de se tornarem bits essenciais em computadores quânticos de próxima geração, bem como dispositivos eletrônicos diários mais poderosos que usam muito menos energia.
Contudo, Encontrar os melhores materiais para ler e escrever esses bits é um desafio.
O modelo de Rice caracteriza camadas únicas para prever heteropairs - bicamadas bidimensionais - que permitem grande divisão de Rashba. Isso tornaria possível controlar o spin de elétrons suficientes para fazer transistores de spin à temperatura ambiente, uma versão muito mais avançada de transistores comuns que dependem de corrente elétrica.
"O princípio de funcionamento por trás do processamento de informações é baseado no fluxo de elétrons que pode estar ligado ou desligado, ", Disse Gupta." Mas os elétrons também têm um grau de liberdade de spin que pode ser usado para processar informações e é a base da spintrônica. A capacidade de controlar o spin do elétron otimizando o efeito Rashba pode trazer novas funcionalidades aos dispositivos eletrônicos.
"Um celular com memória relacionada ao spin seria muito mais poderoso e consumiria muito menos energia do que é agora, " ele disse.
Yakobson e Gupta gostariam de eliminar a tentativa e erro de encontrar materiais. A teoria deles, apresentado no Journal of the American Chemical Society, pretende fazer exatamente isso.
"Os spins do elétron são minúsculos momentos magnéticos que geralmente requerem um campo magnético para controlar, "Gupta disse." No entanto, manipular esses campos em pequenas escalas típicas da computação é muito difícil. O efeito Rashba é o fenômeno que nos permite controlar o spin do elétron com um campo elétrico fácil de aplicar em vez de um campo magnético. "
O grupo de Yakobson é especializado em cálculos em nível de átomo que prevêem interações entre materiais. Nesse caso, seus modelos os ajudaram a entender que o cálculo da carga efetiva de Born dos componentes materiais individuais fornece um meio de prever a divisão de Rashba em uma camada dupla.
"Carga efetiva nascida caracteriza a taxa de mudança de polarização da ligação sob perturbações externas dos átomos, "Gupta disse." Quando duas camadas são empilhadas, ele efetivamente captura a mudança resultante nas redes e cargas, que traz a polarização intercamada geral e o campo de interface responsável pela divisão de Rashba. "
Seus modelos revelaram duas camadas heterossexuais - redes de MoTe 2 | Tl 2 O ou MoTe 2 | PtS 2 - que são bons candidatos para a manipulação do acoplamento rotação-órbita de Rashba, o que acontece na interface entre duas camadas mantidas juntas pela força fraca de van der Waals. (Para os menos inclinados a produtos químicos, Mo é molibdênio, Te é telúrio, Tl é tálio, O é oxigênio, Pt é platina e S é enxofre.)
Gupta observou que o efeito Rashba é conhecido por ocorrer em sistemas com simetria de inversão quebrada - onde o spin do elétron é perpendicular ao seu momento - que gera um campo magnético. Sua força pode ser controlada por uma tensão externa.
"A diferença é que o campo magnético devido ao efeito Rashba depende do momento do elétron, o que significa que o campo magnético experimentado por um elétron que se move para a esquerda e para a direita é diferente, "disse ele." Imagine um elétron com spin apontando na direção z e movendo-se na direção x; ele experimentará um campo magnético de Rashba dependente do momento na direção y, que irá precessar o elétron ao longo do eixo y e alterar sua orientação de spin. "
Onde um transistor de efeito de campo tradicional (FET) liga ou desliga dependendo do fluxo de carga através de uma barreira com tensão de porta, Os transistores de spin controlam o comprimento da precessão do spin por um campo elétrico de porta. Se a orientação do spin for a mesma na fonte e dreno do transistor, o dispositivo está ligado; se a orientação for diferente, está desligado. Como um transistor de spin não requer a barreira eletrônica encontrada nos FETs, ele precisa de menos energia.
"Isso dá aos dispositivos spintrônicos uma enorme vantagem em comparação com os dispositivos eletrônicos convencionais baseados em carga, "Gupta disse." Os estados de rotação podem ser definidos rapidamente, o que torna a transferência de dados mais rápida. E o spin não é volátil. As informações enviadas usando o spin permanecem fixas mesmo após uma perda de energia. Além disso, menos energia é necessária para mudar o spin do que para gerar corrente para manter as cargas de elétrons em um dispositivo, portanto, os dispositivos spintrônicos usam menos energia. "
"Para o químico em mim, "Yakobson disse, "a revelação aqui de que a força da divisão do spin depende da carga de Born é, de certa forma, muito semelhante à ionicidade da ligação versus a eletronegatividade dos átomos na fórmula de Pauling. Este paralelo é muito intrigante e merece mais exploração. "
