Uma equipe de físicos descobriu um método de detecção elétrica para ondas eletromagnéticas terahertz, que são extremamente difíceis de detectar. A descoberta pode ajudar a miniaturizar o equipamento de detecção em microchips e aumentar a sensibilidade.

Terahertz é uma unidade de frequência de onda eletromagnética:um gigahertz é igual a 1 bilhão de hertz; 1 terahertz é igual a 1, 000 gigahertz. Quanto maior a frequência, mais rápida será a transmissão de informações. Celulares, por exemplo, operar em alguns gigahertz.

A descoberta, relatado hoje em Natureza , é baseado em um fenômeno de ressonância magnética em materiais anti-ferromagnéticos. Esses materiais, também chamados de antiferromagnetos, oferecem vantagens exclusivas para aplicativos de dispositivos em nanoescala baseados em spin e ultrarrápidos.

Os pesquisadores, liderado pelo físico Jing Shi, da Universidade da Califórnia, Riverside, gerou uma corrente de spin, uma quantidade física importante na spintrônica, em um antiferroímã e foram capazes de detectá-lo eletricamente. Para realizar esta façanha, eles usaram radiação terahertz para bombear ressonância magnética em cromo para facilitar sua detecção.

Em ferromagnetos, como um ímã de barra, os spins do elétron apontam na mesma direção, Para cima ou para baixo, proporcionando assim resistência coletiva aos materiais. Em antiferromagnetos, o arranjo atômico é tal que os spins do elétron se cancelam, com metade dos spins apontando na direção oposta da outra metade, para cima ou para baixo.

O elétron tem um momento angular de rotação embutido, que pode precessar da mesma forma que um pião precessa em torno de um eixo vertical. Quando a frequência de precessão dos elétrons coincide com a frequência das ondas eletromagnéticas geradas por uma fonte externa atuando nos elétrons, a ressonância magnética ocorre e se manifesta na forma de um sinal bastante intensificado que é mais fácil de detectar.

A fim de gerar tal ressonância magnética, a equipe de físicos da UC Riverside e da UC Santa Barbara trabalhou com 0,24 terahertz de radiação produzida nas instalações de Terahertz do Instituto de Ciência e Tecnologia de Terahertz no campus de Santa Bárbara. Isso era muito parecido com a frequência de precessão dos elétrons na cromo. A ressonância magnética que se seguiu resultou na geração de uma corrente de spin que os pesquisadores converteram em voltagem CC.

"Conseguimos demonstrar que a ressonância antiferromagnética pode produzir uma voltagem elétrica, um efeito spintrônico que nunca foi feito experimentalmente antes, "disse Shi, professor do Departamento de Física e Astronomia.

Shi, que dirige o Departamento de Energia, financiado pelo Energy Frontier Research Center, Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems, ou BRILHA, na UC Riverside, radiação subterahertz e terahertz explicada são um desafio para detectar. A tecnologia de comunicação atual usa microondas gigahertz.

"Para maior largura de banda, Contudo, a tendência é passar para microondas terahertz, "Shi disse." A geração de microondas terahertz não é difícil, mas sua detecção é. Nosso trabalho agora forneceu um novo caminho para a detecção de terahertz em um chip. "

Embora os antiferromagnetos sejam estaticamente desinteressantes, eles são dinamicamente interessantes. A precessão do spin do elétron em antiferromagnetos é muito mais rápida do que em ferromagnetos, resultando em frequências que são duas a três ordens de magnitude mais altas do que as frequências de ferromagnetos - permitindo, assim, uma transmissão de informações mais rápida.

"A dinâmica de spin em antiferromagnetos ocorre em uma escala de tempo muito mais curta do que em ferromagnetos, que oferece benefícios atraentes para potenciais aplicações de dispositivos ultrarrápidos, "Shi disse.

Os antiferromagnetos são onipresentes e mais abundantes do que os ferromagnetos. Muitos ferromagnetos, como ferro e cobalto, tornam-se antiferromagnéticos quando oxidados. Muitos antiferromagnetos são bons isolantes com baixa dissipação de energia. O laboratório de Shi tem experiência na fabricação de isoladores ferromagnéticos e antiferromagnéticos.

A equipe de Shi desenvolveu uma estrutura de duas camadas composta de cromo, um isolante antiferromagnético, com uma camada de metal em cima para servir como detector para detectar sinais de cromo.

Shi explicou que os elétrons na cromo permanecem locais. O que cruza a interface são as informações codificadas nos spins de precessão dos elétrons.

"A interface é crítica, "ele disse." Assim como a sensibilidade de rotação. "

Os pesquisadores abordaram a sensibilidade de spin focalizando a platina e o tântalo como detectores de metal. Se o sinal de cromo se origina em spin, platina e tântalo registram o sinal com polaridade oposta. Se o sinal for causado por aquecimento, Contudo, ambos os metais registram o sinal com polaridade idêntica.

"Esta é a primeira geração e detecção bem-sucedida de correntes de spin puras em materiais antiferromagnéticos, que é um tema quente na spintrônica, "Shi disse." Spintrônica antiferromagnética é o principal foco do SHINES. "