Tirar elétrons para dar uma volta pelas ruas nanoscópicas de um dispositivo digital - sem girar fora de controle - tem desafiado os pesquisadores há anos.

Mas manter esse controle enquanto as partículas subatômicas correm em direção aos processadores pode render um troféu sempre valioso:mais barato, dispositivos mais rápidos e com maior eficiência energética.

Evgeny Tsymbal e Lingling Tao podem ter apenas agitado a bandeira verde - ou pelo menos abandonado a branca. Os físicos da Universidade de Nebraska-Lincoln identificaram um material cuja estrutura cristalina pode sustentar melhor o spin de um elétron:uma propriedade que, semelhante a cobrar, pode representar bits de informação em dispositivos digitais.

CPUs padrão lêem quantidades de carga elétrica como 1s ou 0s, com essa carga abrindo ou fechando uma porta que regula o fluxo de elétrons. Da mesma forma, dispositivos spintrônicos podem ler a orientação do spin de um elétron:para cima e para baixo. Dispositivos que podem falar os dois idiomas digitais - carregar e girar - estão prontos para processar e armazenar informações a taxas que facilmente superam os dispositivos disponíveis no mercado atual.

No entanto, a orientação do spin de um elétron pode mudar por um capricho quântico, e frequentemente o faz. Isso é um problema para engenheiros elétricos.

Uma solução promissora envolve a aplicação de voltagem à porta que já dita o fluxo de elétrons. A voltagem pode essencialmente "escrever" o spin desses elétrons como para cima ou para baixo enquanto eles fluem, mas imperfeições inevitáveis ​​na estrutura nanoscópica de um dispositivo também alteram seu momento. E porque o momentum afeta o spin, uma mudança na velocidade ou trajetória dos elétrons pode alterar seus estados de spin pretendidos antes de serem lidos por um processador, potencialmente resultando em rabiscos.

"O processo se torna basicamente um giro aleatório, "disse Tsymbal, Professor de Física e Astronomia da George Holmes University. “Quando os elétrons chegam à região onde deveriam ser detectados, eles perdem a informação codificada em sua orientação de spin. "

Digite um material conhecido como óxido de índio de bismuto. Com base em cálculos executados pelo Holland Computing Center da universidade, o material cristalino apresenta um conjunto de simetrias atômicas que parecem fixar o spin de um elétron em uma certa direção que é independente de seu momento. Se for verdade, os engenheiros poderiam começar a usar a voltagem para ditar o spin sem se preocupar com como os defeitos afetam o momento do elétron.

As simetrias atômicas do óxido de índio de bismuto provavelmente existem em outros materiais cristalinos, Tsymbal disse, o que significa que os cientistas materiais provavelmente descobrirão outros candidatos.

"Uma vez que um material tem esta simetria de cristal em particular, pode-se afirmar que este material também deve ter a propriedade de sustentação do spin, "disse Tsymbal, diretor do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais de Nebraska.

Os dispositivos spintrônicos já consomem substancialmente menos energia do que os eletrônicos padrão. Tsymbal disse que o potencial de escrever a orientação do spin usando voltagem em vez de corrente elétrica pode tornar os dispositivos ainda mais eficientes - potencialmente até 1, 000 vezes mais.

"Spintrônica também é uma pesquisa relacionada à energia, porque ao economizar energia em nossos dispositivos eletrônicos, reduzimos o consumo de energia, "Tsymbal disse." Esta é uma questão muito importante.

Tsymbal e Tao, um pesquisador pós-doutorado em física e astronomia, relataram suas descobertas no jornal Nature Communications .