Impressão artística da dissolução do 'engarrafamento' eletrônico. Os átomos vermelhos são diferentes em sua natureza quântica e permitem o transporte de elétrons em seus arredores. Crédito:SBQMI
A maioria dos dispositivos eletrônicos modernos depende de minúsculos, correntes elétricas bem ajustadas para processar e armazenar informações. Essas correntes ditam a rapidez com que nossos computadores funcionam, a frequência com que nossos marcapassos marcam e com que segurança nosso dinheiro é armazenado no banco.
Em um estudo publicado em Física da Natureza , pesquisadores da University of British Columbia demonstraram uma maneira inteiramente nova de controlar com precisão essas correntes elétricas, alavancando a interação entre o spin de um elétron (que é o campo magnético quântico que ele carrega inerentemente) e sua rotação orbital em torno do núcleo.
"Encontramos uma nova maneira de ligar e desligar a condução elétrica em materiais, "disse o autor principal Berend Zwartsenberg, um Ph.D. estudante do Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) da UBC. "Este resultado emocionante não apenas amplia nossa compreensão de como a condução elétrica funciona, isso nos ajudará a explorar ainda mais propriedades conhecidas, como condutividade, magnetismo e supercondutividade, e descobrir novos que podem ser importantes para a computação quântica, armazenamento de dados e aplicações de energia. "
Ativando o interruptor nas transições de isolador de metal
Em termos gerais, todos os materiais podem ser categorizados como metais ou isolantes, dependendo da capacidade dos elétrons de se moverem através do material e conduzirem eletricidade.
Medição de um material onde a modificação do acoplamento spin-órbita foi usada para torná-lo eletronicamente condutivo. As cores escuras representam elétrons que estão livres para se mover através do material, e são um indicador do comportamento condutivo. Crédito:Berend Zwartsenberg / SBQMI
Contudo, nem todos os isoladores são criados igualmente. Em materiais simples, a diferença entre o comportamento metálico e isolante decorre do número de elétrons presentes:um número ímpar para metais, e um número par para isoladores. Em materiais mais complexos, como os chamados isoladores Mott, os elétrons interagem uns com os outros de maneiras diferentes, com um delicado equilíbrio determinando sua condução elétrica.
Em um isolador Mott, a repulsão eletrostática evita que os elétrons fiquem muito próximos uns dos outros, o que cria um engarrafamento e limita o fluxo livre de elétrons. Até agora, havia duas maneiras conhecidas de liberar o congestionamento:reduzindo a força da interação repulsiva entre os elétrons, ou alterando o número de elétrons.
A equipe SBQMI explorou uma terceira possibilidade:havia uma maneira de alterar a própria natureza quântica do material para permitir que uma transição metal-isolante ocorresse?
Usando uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, a equipe examinou o isolador Mott Sr2IrO4, monitorar o número de elétrons, sua repulsão eletrostática, e, finalmente, a interação entre o spin do elétron e sua rotação orbital.
"Descobrimos que o acoplamento do spin ao momento angular orbital desacelera os elétrons a tal ponto que eles se tornam sensíveis à presença uns dos outros, solidificando o congestionamento ", disse Zwartsenberg." A redução do acoplamento spin-órbita, por sua vez, alivia o congestionamento e, pela primeira vez, pudemos demonstrar a transição de um isolador para um metal usando essa estratégia. "
"Este é um resultado realmente empolgante no nível de física fundamental, e expande o potencial da eletrônica moderna, "disse a co-autora Andrea Damascelli, pesquisador principal e diretor científico do SBQMI. "Se pudermos desenvolver uma compreensão microscópica dessas fases da matéria quântica e seus fenômenos eletrônicos emergentes, podemos explorá-los através da engenharia de materiais quânticos átomo por átomo para novos aparelhos eletrônicos, aplicações magnéticas e de detecção. "
