A eletrônica avançou por meio de melhorias contínuas na tecnologia de microprocessador desde 1960. Contudo, projeta-se que esse processo de refinamento pare em um futuro próximo devido às restrições impostas pelas leis da física. Alguns desses gargalos já entraram em vigor. Por exemplo, as velocidades de clock dos processadores não ultrapassaram alguns gigahertz, ou várias operações por nanossegundo, nos últimos 20 anos, uma limitação decorrente da resistência elétrica do silício. Isso tem levado a uma busca global cada vez mais urgente por alternativas superiores à eletrônica de semicondutores.

Um dos principais candidatos, spintrônica, baseia-se na ideia de transportar informações por meio do spin dos elétrons. Usar correntes de spin para transmitir informações é uma perspectiva excitante porque envolve menor consumo de energia do que as correntes elétricas comuns. Existem, Contudo, inúmeras dificuldades práticas a serem superadas. Um dos mais sérios é o problema da injeção de spin, transferir uma corrente de spin de um material para outro (por exemplo, de um metal magnético a um semicondutor). Isso tende a embaralhar os giros, destruindo as informações que carregam.

Agora, um avanço na velocidade e eficiência da spintrônica foi alcançado por uma equipe de cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU), a Universidade Nacional de Cingapura (NUS), e a Agência para a Ciência, Tecnologia e Pesquisa (A * STAR) em Cingapura, bem como o Laboratório Nacional de Los Alamos nos EUA. Eles mostraram que um pulso ultracurto de corrente de spin, durando menos de um picossegundo (um trilionésimo de segundo), pode ser injetado de um metal em um semicondutor com incrível eficiência, quebrando o recorde anterior de injeção de spin em mais de 10.000 vezes. Essas descobertas foram descritas em um par de artigos publicados recentemente nas principais revistas científicas Física da Natureza e Materiais avançados .

Nestes experimentos, pulsos de corrente de spin ultracurtos são produzidos pelo brilho de um pulso de laser em cobalto, um metal magnético. Isso gera um enxame de elétrons excitados com polarização de spin, o que significa que os giros apontam principalmente na mesma direção. Os elétrons que carregam spin, então, viajam para fora, difundindo-se em outros materiais adjacentes.

"Queríamos mostrar que esses pulsos de corrente de spin ultracurtos podem ser usados ​​para injeção de spin eficiente, "diz Marco Battiato, um professor assistente de Nanyang na NTU e um membro da equipe de pesquisa, que havia avançado a primeira previsão teórica desse fenômeno em 2016. Ele observa que a difusão para fora dos pulsos de corrente de spin ocorre ao longo de várias centenas de femtossegundos (um femtossegundo é um milésimo de um picossegundo). Isso é até 1000 vezes mais rápido do que dispositivos eletrônicos convencionais, tornando-o potencialmente útil para futuros dispositivos spintrônicos de alta velocidade.

A extrema velocidade da difusão do spin, embora emocionante, também torna o fenômeno difícil de estudar em experimentos que utilizam as tecnologias eletrônicas atuais. "Tivemos que conceber uma estratégia cuidadosa para medir as correntes de spin que fluem para a parte semicondutora do dispositivo, "diz o professor associado Elbert Chia, que supervisionou a parte experimental do projeto na NTU. "Para conseguir isso, usamos um semicondutor contendo elementos pesados, que converte correntes de spin em correntes elétricas ultracurtas. A amostra inteira então se torna uma antena eletromagnética, emitindo radiação em frequências terahertz (intermediário entre microondas e luz infravermelha). Somos capazes de medir essa radiação, em seguida, trabalhe de trás para frente para descobrir a corrente de spin original. "

Ao selecionar cuidadosamente os materiais em seu dispositivo spintrônico, a equipe conseguiu mostrar de forma conclusiva que uma corrente polarizada por spin estava sendo injetada no semicondutor. Surpreendentemente, a força desta corrente de spin acabou sendo mais de 10, 000 vezes maior que o recorde anterior. "Em dispositivos reais, tais fortes correntes de spin não serão necessárias, assim, pode-se escapar com excitações consideravelmente mais fracas, "observa o professor associado Chia. Em experimentos de acompanhamento, os autores foram capazes de determinar quanto tempo levou para a corrente de spin se formar e diminuir.

"Possivelmente, o aspecto mais impressionante é que tudo isso foi demonstrado usando uma interface simples de metal-semicondutor, sem a complicada e cara engenharia estrutural que se vê em outros experimentos spintrônicos, "diz o professor assistente de Nanyang, Justin Song, um físico teórico e bolsista da National Research Foundation (NRFF) que também fez parte do projeto. As amostras foram fabricadas pelo grupo de pesquisa do Professor Associado Hyunsoo Yang na NUS.

"Esses resultados representam uma etapa fundamental no desenvolvimento da spintrônica ultrarrápida baseada na superdifusão de corrente de spin, "diz o professor assistente de Nanyang Battiato. No futuro, a equipe prevê que esse processo de injeção de spin eficiente se torne uma das principais tecnologias por trás dos computadores spintrônicos de alta velocidade.