Quando o mineralogista alemão Gustav Rose parou nas encostas dos Montes Urais da Rússia em 1839 e pegou um pedaço de um mineral até então desconhecido, ele nunca tinha ouvido falar de transistores ou diodos ou tinha qualquer conceito de como a eletrônica convencional se tornaria parte integrante de nossas vidas diárias. Ele não poderia ter previsto que a pedra que segurava em suas mãos, que ele chamou de "perovskita, "pode ​​ser a chave para revolucionar a eletrônica como a conhecemos.

Em 2017, O físico Valy Vardeny da Universidade de Utah chamou a perovskita de "material milagroso" para um campo emergente de eletrônica de última geração, chamado spintrônica, e ele está de acordo com essa afirmação. Em um artigo publicado hoje em Nature Communications , Vardeny, junto com Jingying Wang, Dali Sun (agora na North Carolina State University) e colegas apresentam dois dispositivos construídos com perovskita para demonstrar o potencial do material em sistemas spintrônicos. Suas propriedades, Vardeny diz, traga o sonho de um transistor spintrônico um passo mais perto da realidade.

Spintrônica

Um sistema eletrônico digital convencional transmite um sinal binário (pense em 1s e 0s) por meio de pulsos de elétrons conduzidos por um fio condutor. Spintrônica pode transmitir informações adicionais por meio de outra característica dos elétrons, sua direção de rotação (pense para cima ou para baixo). O spin está relacionado ao magnetismo. Então a spintrônica usa magnetismo para alinhar elétrons de um certo spin, ou "injetar" spin em um sistema.

Se você já fez o experimento da velha ciência de transformar um prego em um ímã arrastando repetidamente um ímã ao longo de seu comprimento, então você já se interessou pela spintrônica. O ímã transfere informações para a unha. O truque é então transportar e manipular essas informações, que requer dispositivos e materiais com propriedades bem ajustadas. Os pesquisadores estão trabalhando em direção ao marco de um transistor de spin, uma versão spintrônica dos componentes eletrônicos encontrados em praticamente todos os aparelhos eletrônicos modernos. Tal dispositivo requer um material semicondutor no qual um campo magnético pode facilmente manipular a direção do spin dos elétrons - uma propriedade chamada acoplamento spin-órbita. Não é fácil construir esse transistor, Wang diz. "Continuamos buscando novos materiais para ver se são mais adequados para esse fim."

É aqui que entram os perovskitas.

Perovskitas

As perovskitas são uma classe de minerais com uma estrutura atômica particular. Seu valor como material tecnológico só se tornou aparente nos últimos 10 anos. Por causa dessa estrutura atômica, pesquisadores têm desenvolvido perovskita em um material para fazer painéis solares. Em 2018, eles alcançaram uma eficiência de até 23% da energia solar convertida em energia elétrica - um grande aumento em relação aos 3,8% em 2009.

Enquanto isso, Vardeny e seus colegas estavam explorando as possibilidades da spintrônica e os vários materiais que poderiam ser eficazes na transmissão do spin. Por causa dos átomos de chumbo pesados ​​na perovskita, os físicos previram que o mineral pode possuir um forte acoplamento spin-órbita. Em um artigo de 2017, Vardeny e a professora assistente de física Sarah Li mostraram que uma classe de perovskitas chamadas perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas de fato possuem um grande acoplamento spin-órbita. Também, o tempo de vida do spin injetado nos materiais híbridos durou um tempo relativamente longo. Ambos os resultados sugeriram que esse tipo de perovskita híbrida era promissor como material spintrônico.

Dois dispositivos spintrônicos

O próximo passo, que Vardeny e Wang realizaram em seu trabalho recente, foi incorporar perovskita híbrida em dispositivos spintrônicos. O primeiro dispositivo é um diodo emissor de luz spintrônico, ou LED. O semicondutor em um LED tradicional contém elétrons e lacunas - lugares nos átomos onde os elétrons deveriam estar, mas não são. Quando os elétrons fluem através do diodo, eles preenchem os buracos e emitem luz.

Wang diz que um LED spintrônico funciona da mesma maneira, mas com um eletrodo magnético, e com buracos de elétrons polarizados para acomodar elétrons de um certo spin. O LED acendeu com eletroluminescência circularmente polarizada, Wang diz, mostrando que o eletrodo magnético transferiu com sucesso elétrons polarizados de spin para o material.

"Não é evidente que, se você colocar um semicondutor e um ferromagneto juntos, você obterá uma injeção de spin, - acrescenta Vardeny. - Você tem que provar. E eles provaram isso. "

O segundo dispositivo é uma válvula de rotação. Dispositivos semelhantes já existem e são usados ​​em dispositivos como discos rígidos de computador. Em uma válvula de rotação, um campo magnético externo inverte a polaridade dos materiais magnéticos na válvula entre uma abertura, estado de baixa resistência e fechado, estado de alta resistência.

A válvula de rotação de Wang e Vardeny faz mais. Com perovskita híbrida como o material do dispositivo, os pesquisadores podem injetar spin no dispositivo e, em seguida, causar precessão do spin, ou oscilação, dentro do dispositivo usando manipulação magnética.

Isso é um grande negócio, dizem os pesquisadores. "Você pode desenvolver spintrônica que não seja útil apenas para registrar informações e armazenamento de dados, mas também cálculo, "Diz Wang." Essa foi uma meta inicial para as pessoas que começaram o campo da spintrônica, e é nisso que ainda estamos trabalhando. "

Tomados em conjunto, esses experimentos mostram que a perovskita funciona como um semicondutor spintrônico. O objetivo final de um transistor baseado em spin ainda está a vários passos de distância, mas este estudo estabelece uma base importante para o caminho à frente.

"O que fizemos foi provar que o que as pessoas pensavam ser possível com a perovskita realmente acontece, "Vardeny diz." Isso é um grande passo.