Os pesquisadores mostraram como criar uma "bateria de spin" recarregável feita de materiais chamados isolantes topológicos, um passo para a construção de novos dispositivos spintrônicos e computadores quânticos.

Ao contrário dos materiais comuns que são isolantes ou condutores, Os isoladores topológicos são ambos ao mesmo tempo - eles são isolantes por dentro, mas conduzem eletricidade na superfície. Os materiais podem ser usados ​​para dispositivos spintrônicos e computadores quânticos mais poderosos do que as tecnologias atuais.

Os elétrons podem ser considerados como tendo dois estados de spin:para cima ou para baixo, e um fenômeno conhecido como superposição permite que os elétrons estejam nos dois estados ao mesmo tempo. Essa propriedade poderia ser aproveitada para realizar cálculos usando as leis da mecânica quântica, tornando os computadores muito mais rápidos do que os computadores convencionais em certas tarefas.

Os elétrons condutores na superfície de isoladores topológicos têm uma propriedade chave conhecida como "bloqueio de momento de rotação, "em que a direção do movimento dos elétrons determina a direção de seu spin. Esse spin pode ser usado para codificar ou transportar informações usando as direções para baixo ou para cima para representar 0 ou 1 para processamento e computação de informações com base em spin, ou spintrônica.

"Por causa do bloqueio do impulso de rotação, você pode fazer o spin dos elétrons se alinhar ou 'travar' em uma direção se passar uma corrente através do material isolante topológico, e este é um efeito muito interessante, "disse Yong P. Chen, um professor de física e astronomia da Purdue University e engenharia elétrica e da computação e diretor do Purdue Quantum Center.

Aplicar uma corrente elétrica ao material induz uma "polarização de spin" de elétrons que pode ser usada para spintrônica. Normalmente, a corrente deve permanecer ligada para manter esta polarização. Contudo, em novas descobertas, Os pesquisadores do Purdue são os primeiros a induzir uma polarização do spin do elétron de longa duração, que dura dois dias, mesmo quando a corrente é desligada. A polarização do spin do elétron é detectada por uma sonda de voltagem magnética, que atua como um voltímetro sensível ao spin em uma técnica conhecida como "potenciometria de spin".

As novas descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa publicado em 14 de abril na revista. Avanços da Ciência . O experimento foi conduzido pelo pesquisador associado de pós-doutorado Jifa Tian.

"Essa polarização de spin persistente controlada eletricamente com vida útil longa sem precedentes poderia permitir uma bateria de spin recarregável e memória de spin regravável para aplicações potenciais em spintrônica e sistemas de informação quântica, "Tian disse.

Essa "corrente de escrita" poderia ser comparada ao registro de uns e zeros na memória de um computador.

"Contudo, um analógico melhor é o de uma bateria, "Chen disse." A corrente de escrita é como uma corrente de carga. É lento, assim como carregar seu iPhone por uma ou duas horas, e então pode produzir energia por vários dias. Essa é a ideia semelhante. Carregamos esta bateria de spin usando esta corrente de escrita em meia hora ou uma hora e então os spins ficam polarizados por dois dias, como uma bateria recarregável. "

A descoberta foi uma surpresa.

"Isso não foi previsto nem algo que estávamos procurando quando iniciamos o experimento, "disse ele." Foi uma descoberta acidental, graças à paciência e persistência de Jifa, executando e repetindo as medições muitas vezes, e efetivamente carregando a bateria de rotação para gerar um sinal de polarização de rotação persistente mensurável. "

Os pesquisadores não têm certeza do que causa o efeito. Contudo, uma teoria é que os elétrons polarizados por spin podem estar transferindo sua polarização para os núcleos atômicos do material. Esta hipótese como possível explicação para o experimento foi proposta por Supriyo Datta, Thomas Duncan, da Purdue, distinto professor de Engenharia Elétrica e de Computação e líder da recém-lançada "iniciativa de equipe proeminente da spintrônica" da Purdue.

"Em uma reunião, O professor Datta fez a sugestão crítica de que o sinal de rotação persistente que Jifa observou parecia uma bateria, "Disse Chen." Houve alguns experimentos análogos feitos anteriormente em uma bateria movida a spin nuclear, embora eles normalmente exigissem condições muito mais desafiadoras, como altos campos magnéticos. Nossa observação até agora é consistente com o efeito também decorrente dos spins nucleares, embora não tenhamos evidências diretas. "

O spin nuclear tem implicações para o desenvolvimento da memória quântica e da computação quântica.

"E agora temos uma maneira elétrica de conseguir isso, o que significa que é potencialmente útil para circuitos quânticos porque você pode simplesmente passar a corrente e polarizar o spin nuclear, "Disse Chen." Tradicionalmente, isso tem sido muito difícil de conseguir. Nossa bateria de spin baseada em isoladores topológicos funciona mesmo em campo magnético zero, e temperaturas moderadamente baixas, como dezenas de Kelvin, o que é muito incomum. "

Seokmin Hong, um ex-aluno de doutorado de Purdue que trabalha com Datta e agora é engenheiro de software na Intel Corp., disse, "Embora uma bateria carregada comum produza uma tensão que pode ser usada para acionar uma corrente de carga, uma 'bateria de spin' produz uma 'voltagem de spin, 'ou mais precisamente uma diferença de potencial químico entre os elétrons de spin up e spin down, que pode ser usado para conduzir uma corrente de spin sem equilíbrio. "

Os pesquisadores usaram pequenos flocos de um material chamado seleneto de telúrio de bismuto. É da mesma classe de materiais que o telureto de bismuto, que está por trás das tecnologias de resfriamento de estado sólido, como refrigeradores termelétricos comerciais. Contudo, ao contrário do material de qualidade comercial que é um semicondutor a granel "dopado", o material usado no experimento foi cuidadosamente produzido para ter pureza ultra-alta e pouca dopagem no volume, de modo que a condução é dominada pelos elétrons polarizados por spin na superfície. Foi sintetizado pelo cientista pesquisador Ireneusz Miotkowski no laboratório de cristal de semicondutores administrado por Chen no Departamento de Física e Astronomia de Purdue. Os dispositivos foram fabricados por Tian no Birck Nanotechnology Center no Purdue's Discovery Park.

O artigo foi escrito por Tian; Hong; e Miotkowski, Datta, e Chen.

Pesquisas futuras incluirão trabalhos para sondar o que causa o efeito, investigando diretamente o spin nuclear, e também para explorar como esta bateria de spin pode ser usada em aplicações práticas potenciais.