Metade de todos os transistores em seu iPhone usam 'orifícios' carregados positivamente, em vez de elétrons carregados negativamente para operar.

Na Universidade, ensinamos alunos de graduação que buracos são quasipartículas, basicamente 'elétrons ausentes' - um pouco como a bolha em um nível de espírito, ou a cadeira que falta em um jogo de cadeiras musicais.

Mas essa não é toda a história:os buracos também têm propriedades de 'spin' muito diferentes das dos elétrons. (O spin de uma partícula é seu momento angular intrínseco.)

Essas propriedades exclusivas de spin dos orifícios os tornam muito atraentes para transistores de spin de potência ultrabaixa, bits quânticos de alta velocidade, e bits quânticos topológicos tolerantes a falhas.

O problema é que, até recentemente, não tínhamos um bom entendimento das propriedades de spin de buracos em transistores em nanoescala. Na verdade, as melhores teorias previram o comportamento oposto ao observado nos experimentos.

Agora, uma equipe de físicos liderada por Alex Hamilton e Oleg Sushkov, da UNSW, resolveu o mistério identificando um novo termo nas equações que antes havia sido esquecido.

Isso reconcilia experimentos e teoria, e abre caminho para futuros dispositivos eletrônicos quânticos e de computação quântica.

A chave para o problema é que um furo se comporta de maneira muito diferente quando confinado a apenas duas dimensões, em comparação com seu comportamento em um normal, sólido tridimensional.

Um transistor é fabricado com dois materiais semicondutores de propriedades eletrônicas ligeiramente diferentes, pressionados juntos. Na interface desses dois materiais, existe uma zona efetivamente bidimensional, em que uma fina folha de elétrons ou buracos podem ser controlados para executar as funções lógicas necessárias.

Mas, embora o comportamento dos furos em três dimensões seja bem compreendido por muitas décadas, seu confinamento a duas dimensões introduz novos fatores que causam respostas imprevisíveis a um campo magnético aplicado. Nomeadamente, este confinamento introduz uma nova 'interação spin-órbita'.

Interação spin-órbita (SOI), é o acoplamento do movimento do buraco através do espaço (por exemplo, em órbita ao redor de um átomo ou ao longo de um caminho de transporte de corrente) e seu spin. Esta interação spin-órbita muda a forma como os buracos respondem a um campo magnético e é a chave para a função dos materiais topológicos, que são estudados na FLEET por seu potencial para formar caminhos de resistência ultrabaixa para a corrente elétrica.

O novo estudo é a primeira vez que esses novos efeitos de spin-órbita para buracos confinados a uma dimensão foram classificados adequadamente.

Em 2006, Os experimentos UNSW encontraram um resultado que não correspondia à teoria existente:

Os experimentadores estavam observando os efeitos de um campo magnético externo aplicado a um campo unidimensional, caminho de transporte de carga conhecido como fio quântico.

O campo magnético aplicado separa, ou divisões, os níveis de energia dos buracos com diferentes spins. Experimentos mostraram que a divisão do spin era extremamente sensível à direção do campo magnético, ao contrário dos elétrons que são insensíveis à direção do campo.

Além disso, descobriu-se que a divisão do spin era maior quando o campo magnético foi aplicado ao longo do fio quântico - um resultado totalmente contrário às teorias existentes. Essa discordância entre experimento e teoria permaneceu sem explicação na última década.

O estudo mais recente identificou um novo fator de interação spin-órbita causado pelo confinamento dos buracos a uma dimensão, e descobriu que este novo fator explicava o resultado experimental de 2006.

O novo estudo acaba de aparecer em Cartas de revisão física , o principal jornal da American Physical Society.

A pesquisa juntou físicos teóricos e experimentais da UNSW com colegas em Cambridge e Sheffield no Reino Unido, e Novosibirsk na Rússia.

O trabalho foi financiado pelo Programa de Descoberta do Australian Research Council, e incluiu Alex Hamilton da FLEET, Oleg Sushkov e Dima Miserev.

FLEET é um novo, Centro de pesquisa financiado pela ARC com o objetivo de abordar o crescente desafio da energia de computação usando materiais com apenas um átomo de espessura. FLEET (o Centro de Excelência ARC em Tecnologias Eletrônicas de Baixa Energia do Futuro) está usando atomicamente fino, materiais bidimensionais (2-D) como a base de uma nova geração de eletrônicos de ultra-baixa energia. A FLEET conecta pesquisadores da Escola de Física da UNSW e da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da UNSW com colegas em seis outras universidades e 13 outros centros de ciência australianos e internacionais.

Alex Hamilton lidera o tema de pesquisa 1 da FLEETs, procurando por sistemas topológicos sem dissipação para o futuro, eletrônicos de ultra-baixa energia.

O estudo original em 2006, também liderado pelo Prof. Hamilton e também publicado em Cartas de revisão física , descobriram que a direção de um campo magnético aplicado determinou a divisão da condutividade em uma corrente de orifícios. O mesmo efeito não ocorre em uma corrente de elétrons.

Este estudo também foi o primeiro a caracterizar o efeito de um campo magnético em uma corrente de buracos ao longo de um fio quântico. Os experimentos mostraram que conforme os buracos viajam ao longo de um caminho unidimensional, seus spins giram para se alinhar com um campo magnético aplicado em uma direção específica.

Esta resposta separa os buracos dos elétrons, que não respondem da mesma forma às mudanças - eles não se importam de que maneira o campo é aplicado.

Essa propriedade única dos orifícios oferece um potencial estimulante para seu uso na tecnologia 'spintrônica'. Na spintrônica, o spin magnético de uma partícula é usado para realizar funções lógicas, em vez de apenas a carga elétrica da partícula, como na eletrônica tradicional.