A descoberta de como controlar e transferir elétrons giratórios abre caminho para novos dispositivos híbridos que podem superar a eletrônica de semicondutores existente. Em um estudo publicado em Nature Communications , pesquisadores da Linköping University na Suécia demonstram como combinar um semicondutor comumente usado com um isolante topológico, um estado da matéria recentemente descoberto com propriedades elétricas únicas.

Assim como a Terra gira em torno de seu próprio eixo, o mesmo acontece com um elétron, no sentido horário ou anti-horário. "Spintrônica" é o nome usado para descrever tecnologias que exploram tanto o spin quanto a carga do elétron. Os aplicativos atuais são limitados, e a tecnologia é usada principalmente em discos rígidos de computador. Spintrônica promete grandes vantagens sobre a eletrônica convencional, incluindo menor consumo de energia e maior velocidade.

Em termos de condução elétrica, os materiais naturais são classificados em três categorias:condutores, semicondutores e isoladores. Pesquisadores descobriram recentemente uma fase exótica da matéria conhecida como "isolantes topológicos", que é um isolante por dentro, mas um condutor na superfície. Uma das propriedades mais marcantes dos isoladores topológicos é que um elétron deve viajar em uma direção específica ao longo da superfície do material, determinado por sua direção de rotação. Esta propriedade é conhecida como "bloqueio do momento de rotação".

"A superfície de um isolante topológico é como uma rodovia bem organizada e dividida para elétrons, onde os elétrons com uma direção de rotação viajam em uma direção, enquanto os elétrons com a direção de spin oposta viajam na direção oposta. Eles podem viajar rapidamente em suas direções designadas sem colidir e sem perder energia, "diz Yuqing Huang, Estudante de doutorado no Departamento de Física, Química e Biologia (IFM) na Linköping University.

Essas propriedades tornam os isolantes topológicos promissores para aplicações spintrônicas. Contudo, uma questão chave é como gerar e manipular a corrente de rotação da superfície em isoladores topológicos.

A equipe de pesquisa por trás do estudo atual já deu o primeiro passo para transferir elétrons com orientação de spin entre um isolador topológico e um semicondutor convencional. Eles geraram elétrons com o mesmo spin no arsenieto de gálio, GaAs, um semicondutor comumente usado em eletrônica. Para alcançar isto, eles usaram luz polarizada circularmente, em que o campo elétrico gira no sentido horário ou anti-horário quando visto na direção de viagem da luz. Os elétrons polarizados de spin poderiam então ser transferidos de GaAs para um isolador topológico, para gerar uma corrente elétrica direcional na superfície. Os pesquisadores conseguiram controlar a orientação do spin dos elétrons, e a direção e a força da corrente elétrica no isolador topológico telureto de bismuto, Bi2Te3. Essa flexibilidade, segundo os pesquisadores, não estava disponível antes. Tudo isso foi realizado sem a aplicação de uma tensão elétrica externa, demonstrando o potencial de conversão eficiente de energia leve em eletricidade. As descobertas são significativas para o projeto de novos dispositivos spintrônicos que exploram a interação da matéria com a luz, uma tecnologia conhecida como "opto-spintrônica".

"Combinamos as propriedades ópticas superiores do GaAs com as propriedades elétricas exclusivas de um isolante topológico. Isso nos deu novas ideias para projetar dispositivos opto-spintrônicos que podem ser usados ​​para armazenamento de informações eficiente e robusto, intercâmbio, processamento e leitura em tecnologia da informação futura, "diz o professor Weimin Chen, quem conduziu o estudo.