Os pesquisadores criaram um novo campo de testes para sistemas quânticos em que podem literalmente ligar e desligar certas interações de partículas, potencialmente pavimentando o caminho para avanços na spintrônica.

A eletrônica de transporte da Spin tem o potencial de revolucionar os dispositivos eletrônicos como os conhecemos, especialmente quando se trata de computação. Embora a eletrônica padrão use a carga de um elétron para codificar as informações, Os dispositivos spintrônicos contam com outra propriedade intrínseca do elétron:seu spin.

Spintrônica pode ser mais rápida e confiável do que a eletrônica convencional, já que o giro pode ser alterado rapidamente e esses dispositivos usam menos energia. Contudo, o campo é jovem e há muitas questões que os pesquisadores precisam resolver para melhorar seu controle das informações de spin. Uma das questões mais complexas que assola o campo é como o sinal transportado por partículas com spin, conhecido como corrente de spin, decai com o tempo.

"O sinal de que precisamos para fazer a spintrônica funcionar, e estudar essas coisas, pode decair. Assim como queremos um bom serviço de telefonia celular para fazer uma chamada, queremos que este sinal seja forte, "disse Chuan-Hsun Li, um estudante de graduação em engenharia elétrica e da computação na Purdue University. "Quando a corrente de spin diminui, perdemos o sinal. "No mundo real, elétrons não existem independentemente de tudo ao seu redor e se comportam exatamente como esperamos. Eles interagem com outras partículas e entre diferentes propriedades dentro de si. A interação entre o spin de uma partícula (uma propriedade intrínseca) e o momento (uma propriedade extrínseca) é conhecida como acoplamento spin-órbita.

De acordo com um novo artigo em Nature Communications , O acoplamento spin-órbita e as interações com outras partículas podem aumentar drasticamente o declínio da corrente de spin em um fluido quântico chamado condensado de Bose-Einstein (BEC).

"As pessoas querem manipular a formação de spin para que possamos usá-la para codificar informações, e uma maneira de fazer isso é usar mecanismos físicos como acoplamento spin-órbita, "Li disse." No entanto, isso pode levar a algumas desvantagens, como a perda de informações de rotação. "

O experimento foi feito no laboratório de Yong Chen, um professor de física e astronomia, e engenharia elétrica e de computação em Purdue, onde sua equipe criou algo como um mini colisor de partículas para BECs. Usando lasers, Os átomos de rubídio-87 dentro de uma câmara de vácuo foram aprisionados e resfriados quase ao zero absoluto. (Os viciados em física devem se lembrar que as tecnologias de resfriamento a laser ganharam o Prêmio Nobel de física em 1997. A armadilhagem a laser ganhou o prêmio em 2018.)

Neste ponto, os átomos se tornam um BEC:o mais frio e misterioso dos cinco estados da matéria. À medida que os átomos ficam mais frios, eles começam a exibir propriedades semelhantes a ondas. Neste estado quântico, eles têm uma crise de identidade; eles se sobrepõem e param de se comportar como indivíduos. Embora BEC não seja tecnicamente um gás, esta pode ser a maneira mais fácil de imaginá-lo - os físicos casualmente se referem a ele como fluido quântico ou gás quântico.

Dentro do mini colisor de fluido quântico, A equipe de Chen enviou dois BECs com spins opostos colidindo um com o outro. Como duas nuvens de gás fariam, eles se penetram parcialmente, entregando uma corrente de spin.

"Muitos fenômenos fascinantes ocorrem quando você colide dois condensados. Originalmente, eles são superfluidos, mas quando eles colidem, parte do atrito pode transformá-los em gás térmico, "Disse Chen." Porque podemos controlar todos os parâmetros, este é um sistema realmente eficiente para estudar esses tipos de colisões. "

Usando este sistema, pesquisadores podem literalmente ligar e desligar o acoplamento spin-órbita, o que lhes permite isolar seu efeito na queda da corrente de spin. Isso não pode ser feito com elétrons em materiais de estado sólido, que é parte do que torna este sistema tão poderoso, Chen disse.

O chamado gás quântico é o sistema mais limpo que o homem pode fazer. Não há desordem, o que torna possível criar uma corrente de spin pura e estudar suas propriedades. Chen espera continuar usando este campo de teste experimental e sua corrente de spin bosônica para explorar ainda mais muitas questões fundamentais no transporte de spin e dinâmica quântica.

"Um desafio importante para a spintrônica e outras tecnologias quânticas relacionadas é reduzir a decadência para que possamos propagar informações de spin em distâncias mais longas, por mais tempo, "disse ele." Com este novo conhecimento do papel do acoplamento spin-órbita, isso pode ajudar as pessoas a obter novos insights para reduzir a decadência do spin e, potencialmente, também projetar dispositivos spintrônicos melhores. "