Um esquema do experimento de ótica ultrarrápida. Um pulso de laser inicial alinha um spin de elétron ao longo do caminho do feixe; o spin do elétron tem precessão em um campo magnético externo; outro pulso de laser com retardo de tempo detecta a precessão do spin pela rotação de seu plano de polarização (Norte ou Para cima, Sul ou Baixo). Superior esquerdo:a estrutura material das perovskitas híbridas. Inferior direito:dados típicos mostram oscilações induzidas pela precessão do spin. Crédito:Patrick Odenthal
Uma equipe liderada pela Universidade de Utah descobriu que uma classe de "materiais milagrosos" chamados perovskitas híbridos orgânicos-inorgânicos pode ser uma virada de jogo para futuros dispositivos spintrônicos.
Spintrônica usa a direção do spin do elétron - para cima ou para baixo - para transportar informações em uns e zeros. Um dispositivo spintrônico pode processar exponencialmente mais dados do que a eletrônica tradicional que usa a vazante e o fluxo da corrente elétrica para gerar instruções digitais. Mas os físicos têm lutado para tornar os dispositivos spintrônicos uma realidade.
O novo estudo, publicado online hoje em Física da Natureza , é o primeiro a mostrar que as perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas são uma classe de materiais promissora para a spintrônica. Os pesquisadores descobriram que as perovskitas possuem duas propriedades contraditórias necessárias para fazer os dispositivos spintrônicos funcionarem - o spin dos elétrons pode ser facilmente controlado, e também pode manter a direção do giro por tempo suficiente para transportar informações, uma propriedade conhecida como tempo de vida do spin.
"É um dispositivo que as pessoas sempre quiseram fazer, mas existem grandes desafios em encontrar um material que possa ser manipulado e, ao mesmo tempo, tem uma longa vida útil de giro, "diz Sarah Li, professor assistente do Departamento de Física e Astronomia da U e principal autor do estudo. "Mas para este material, é a propriedade do próprio material que satisfaz a ambos. "
O material milagroso
As perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas já são famosas nos círculos científicos por serem incrivelmente eficientes na conversão da luz solar em eletricidade.
"É inacreditável. Um material milagroso, "diz Z. Valy Vardeny, distinto professor do Departamento de Física e Astronomia e co-autor do estudo, cujo laboratório estuda células solares perovskita. "Em apenas alguns anos, as células solares baseadas neste material têm uma eficiência de 22%. E agora ele tem essa propriedade de tempo de vida de giro. É fantástico."
A composição química do material é um candidato improvável para spintrônica, Contudo. A estrutura inorgânica da perovskita híbrida é feita de elementos pesados. Quanto mais pesado o átomo, mais fácil é manipular o spin do elétron. Isso é bom para a spintrônica. Mas outras forças também influenciam o spin. Quando os átomos são pesados, você assume que a vida útil do spin é curta, explica Li.
"A maioria das pessoas na área não pensaria que este material tem uma longa vida útil de spin. É uma surpresa para nós, também, "diz Li." Ainda não descobrimos a razão exata. Mas é provavelmente algo intrínseco, propriedade mágica do próprio material. "
Sarah Li (à esquerda) e Z. Valy Vardeny (à direita) do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Utah discutem o laser ultrarrápido usado para preparar e medir a direção do spin do elétron do híbrido perovskita metil amônio chumbo iodo (CH3NH3PbI3 ) Eles são os primeiros a mostrar que as perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas são uma classe de material promissora para a spintrônica, um campo emergente que usa o spin do elétron para transportar informações, em vez da carga eletrônica usada na eletrônica tradicional. Crédito:Universidade de Utah
Spintrônica:aquele momento magnético quando ...
Celulares, computadores e outros aparelhos eletrônicos têm transistores de silício que controlam o fluxo de correntes elétricas como pequenas represas. Conforme os dispositivos ficam mais compactos, os transistores devem lidar com a corrente elétrica em áreas cada vez menores.
"A tecnologia de silício, com base apenas na carga do elétron, está atingindo seu limite de tamanho, "diz Li, "O tamanho do fio já é pequeno. Se ficar menor, não vai funcionar da maneira clássica que você pensa. "
"As pessoas estavam pensando, 'Como aumentamos a quantidade de informação em uma área tão pequena?' "Acrescenta Vardeny." O que fazemos para superar esse limite? "
"Spintrônica, "responde a física.
Spintrônica usa o spin do próprio elétron para transportar informações. Os elétrons são basicamente pequenos ímãs orbitando o núcleo de um elemento. Assim como a Terra tem sua própria orientação em relação ao sol, elétrons têm sua própria orientação de spin em relação ao núcleo, que pode ser alinhada em duas direções:"Para cima, "que representa um, e para baixo, "que representa um zero. Os físicos relacionam o" momento magnético "do elétron com seu spin.
Ao adicionar spin à eletrônica tradicional, você pode processar exponencialmente mais informações do que usá-las classicamente com base em menos ou mais cobrança.
"Com a spintrônica, você não só tem muito mais informações, mas você não está limitado pelo tamanho do transistor. O limite de tamanho será o tamanho do momento magnético que você pode detectar, que é muito menor do que o tamanho do transistor hoje em dia, "diz Vardeny.
O laser ultrarrápido dispara pulsos de luz muito curtos 80 milhões de vezes por segundo no material perovskita híbrido para determinar se seus elétrons podem ser usados para transportar informações em dispositivos futuros. Eles dividem o laser em dois feixes; o primeiro atinge o filme para definir o spin do elétron na direção desejada. O segundo feixe se curva através de uma série de espelhos como uma máquina de pin ball antes de atingir o filme de perovskita em intervalos de tempo crescentes para medir por quanto tempo o elétron manteve o spin na direção preparada. Crédito:Universidade de Utah
O experimento para ajustar o spin do elétron
Afinar o spin de um elétron é como afinar uma guitarra, mas com um laser e muitos espelhos.
Primeiro, os pesquisadores formaram um filme fino do híbrido perovskita metil-amônio chumbo iodo (CH3NH3PbI3) e o colocaram na frente de um laser ultrarrápido que dispara pulsos de luz muito curtos 80 milhões de vezes por segundo. Os pesquisadores são os primeiros a usar a luz para definir a orientação do spin do elétron e observar a precessão do spin neste material.
Eles dividem o laser em dois feixes; o primeiro atingiu o filme para definir o spin do elétron na direção desejada. O segundo feixe se curva através de uma série de espelhos como uma máquina de pinball antes de atingir o filme de perovskita em intervalos de tempo crescentes para medir por quanto tempo o elétron manteve o spin na direção preparada.
Eles descobriram que a perovskita tem uma vida útil de spin surpreendentemente longa - até nanossegundos. O spin muda muitas vezes durante um nanossegundo, o que significa que muitas informações podem ser facilmente armazenadas e manipuladas durante esse tempo.
Depois de determinar a longa vida útil do spin, os pesquisadores testaram o quão bem eles podiam manipular o spin com um campo magnético.
"A rotação é como a bússola. A bússola gira neste campo magnético perpendicular a essa bússola, e eventualmente ele irá parar de girar, "diz Li." Digamos que você ajustou o giro para cima, 'e você chama isso de' um '. Quando você o expõe ao campo magnético, o giro muda de direção. Se girou 180 graus, ele muda de um para zero. Se girou 360 graus, vai de um para um. "
Eles descobriram que podiam girar o spin mais de 10 voltas, expondo o elétron a diferentes intensidades de campo magnético.
O potencial para este material é enorme, diz Vardeny. Ele poderia processar dados mais rapidamente e aumentar a memória de acesso aleatório.
"Estou te dizendo, é um material milagroso, "diz Vardeny.
