Em 1991, O químico Joel Miller da Universidade de Utah desenvolveu o primeiro ímã com base de carbono, ou orgânico, componentes que eram estáveis ​​à temperatura ambiente. Foi um grande avanço no magnetismo, e ele tem explorado os aplicativos desde então.

Vinte e cinco anos depois, os físicos Christoph Boehme e Valy Vardeny demonstraram um método para converter ondas quânticas em corrente elétrica. Eles também, sabia que tinha descoberto algo importante, mas não conhecia sua aplicação.

Agora, essas tecnologias se juntaram e podem ser o primeiro passo para uma nova geração de sistemas mais rápidos, eletrônica mais eficiente e mais flexível.

Trabalhando juntos, Moleiro, Boehme, Vardeny e seus colegas mostraram que um ímã de base orgânica pode transportar ondas de magnetização da mecânica quântica, chamados magnons, e converter essas ondas em sinais elétricos. É um grande avanço para o campo da magnônica (sistemas eletrônicos que usam magnons em vez de elétrons) porque os magnons já eram enviados por meio de materiais inorgânicos mais difíceis de manusear.

"Indo para esses materiais orgânicos, temos a oportunidade de empurrar a magnônica para uma área que é mais controlável do que os materiais inorgânicos, "Diz Miller. Seus resultados são publicados hoje em Materiais da natureza.

Como funciona a magnônica

Antes de proceder, vamos falar sobre o que é um magnon e como ele pode ser usado em eletrônica. A eletrônica atual usa elétrons para transportar informações ao longo dos fios. Os magnons também podem conduzir informações por meio de materiais, mas em vez de ser composto de elétrons, magnons são ondas compostas por uma propriedade quântica chamada spin.

Imagine um estádio de futebol, repleto de fãs entusiasmados erguendo os braços para torcer por seu time. Digamos que a direção para a qual seus braços apontam seja sua orientação de rotação. Se todos os fãs mantiverem os braços esticados no ar simultaneamente, então a orientação de rotação de todos é a mesma e eles fizeram, em essência, um ímã.

Agora a multidão começa "The Wave, "exceto em vez de ficar de pé e sentar, um corredor de fãs inclina os braços para a direita. O próximo corredor pega essa mudança na rotação e a passa para a próxima linha. Muito antes, este ímã tem uma onda baseada em rotação percorrendo o estádio.

A versão quântica da onda baseada no spin é um magnon.

"Agora você tem uma maneira de transmitir informações em um material, "diz o professor de física e co-autor do artigo Boehme." Você pode pensar em magnônica como a eletrônica. Você tem circuitos e quando consegue construir lógica digital a partir disso, você também pode construir computadores. "

Nós vamos, ainda não. Embora os magnons sejam conhecidos pela ciência há décadas, apenas recentemente seu potencial para a construção de eletrônicos foi realizado.

Atualmente, a maioria dos pesquisadores magnônicos está usando granada ítrio-ferro (YIG) como seu material portador de onda. É caro e difícil de produzir, especialmente como uma película fina ou fio. Boehme diz que uma vez considerou incorporar YIG em um de seus instrumentos e teve que desistir porque o material se mostrou muito problemático para lidar com aquela aplicação específica.

Montando a equipe

Boehme e Vardeny, distinto professor de física, também estudam o campo de alternativas à eletrônica chamada spintrônica, do qual a magnônica é um subcampo. Em 2016, eles mostraram como observar diretamente o "efeito Hall de rotação inversa, "uma forma de converter ondas de spin em corrente elétrica.

Eles começaram a trabalhar junto com Miller por meio de um Centro de Engenharia e Pesquisa de Materiais financiado pela National Science Foundation (MRSEC) na Universidade de Utah. Em 1991, Miller produziu o primeiro material magnético usando orgânico, ou à base de carbono, componentes. Os três decidiram testar o ímã orgânico de Miller para ver se ele poderia ser usado como uma alternativa ao YIG em materiais magnônicos. Eles testaram a ressonância de spin eletrônico (ESR), uma medida de quanto tempo os magnons durariam no material. Quanto mais estreita a linha ESR, os magnons de vida mais longa.

A linha era realmente muito estreita, Vardeny diz. "É um registro linha estreita. "

Mas trabalhar com o ímã de base orgânica, conhecido como vanádio tetracianoetileno ou V (TCNE) _x , ainda apresentou alguns desafios. O material é altamente sensível ao oxigênio, semelhante a ímãs de terras raras. "Se for feito na hora, provavelmente vai pegar fogo, "Miller diz." Ele vai perder seu magnetismo. "A equipe precisava lidar com os filmes finos de V (TCNE) _x sob condições de baixo oxigênio.

A realização de experimentos exigia um concerto de atividades, com membros da equipe de pesquisa, cada um em seu lugar certo, na hora certa, para prosseguir com a próxima fase do experimento.

"Conte o número de autores no artigo, "Boehme diz. (São 14.)" Cada vez que realizamos um experimento, todos tinham que estar lá e estar prontos a tempo para participar desse processo. "Tudo começou com um dos alunos de Miller chegando às 4 da manhã para preparar um material precursor e continuou por dois a três dias continuamente enquanto as equipes de pesquisa passavam o bastão de material e dados.

Nem toda execução experimental foi bem-sucedida. Logo no início, a equipe descobriu que o conector de cobre que estavam usando para converter magnons em eletricidade usando o efeito Hall de rotação inversa estava reagindo com o V (TCNE) _x e, portanto, não funcionaria. Uma mudança para contatos de platina na próxima execução foi bem-sucedida.

Resultados promissores

No fim, a equipe relatou que foram capazes de gerar magnons estáveis ​​em ímãs orgânicos e converter essas ondas de spin em sinais elétricos - um importante trampolim. A estabilidade dos magnons no V (TCNE) _x foi tão bom quanto no YIG.

Os pesquisadores estão esperançosos de que este avanço leve a mais progresso em direção à substituição da eletrônica pela magnônica, uma vez que os sistemas magnônicos podem ser menores e mais rápidos do que os sistemas atuais, com menos perda de calor e muito menos energia necessária. A eletrônica convencional opera em uma escala de volts, Boehme diz. Os magnons operam em uma escala de milivolts, contendo cerca de 1, 000 vezes menos energia.

A próxima equipe espera trabalhar em circuitos magnônicos usando V (TCNE) _x , e também testar outros materiais. "Existem muitos ímãs de base orgânica, "Boehme diz." Não há razão para acreditar que, se você escolher um aleatoriamente, é necessariamente o melhor. "

Ainda está para ser visto, no entanto, o que a promessa da magnônica pode trazer além de mais rápido, eletrônicos menores e mais eficientes. "Não podemos antecipar, "Miller diz, "o que não podemos antecipar."