Essas formas de balão e disco representam um orbital de elétrons - uma nuvem de elétrons difusa em torno do núcleo de um átomo - em duas orientações diferentes. Os cientistas esperam um dia usar variações nas orientações dos orbitais como os 0s e 1s necessários para fazer cálculos e armazenar informações nas memórias de computador, um sistema conhecido como orbitrônico. Um estudo SLAC mostra que é possível separar essas orientações orbitais dos padrões de spin do elétron, um passo fundamental para controlá-los de forma independente em uma classe de materiais que é a pedra angular da tecnologia da informação moderna. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Ao projetar dispositivos eletrônicos, os cientistas procuram maneiras de manipular e controlar três propriedades básicas dos elétrons:sua carga; seus estados de rotação, que dão origem ao magnetismo; e as formas das nuvens difusas que eles formam em torno dos núcleos dos átomos, que são conhecidos como orbitais.
Até agora, Os spins e orbitais do elétron foram pensados para andar de mãos dadas em uma classe de materiais que é a pedra angular da tecnologia da informação moderna; você não poderia mudar rapidamente um sem mudar o outro. Mas um estudo do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia mostra que um pulso de luz laser pode mudar dramaticamente o estado de spin de uma classe importante de materiais, enquanto deixa seu estado orbital intacto.
Os resultados sugerem um novo caminho para fazer uma futura geração de dispositivos lógicos e de memória baseados em "orbitrônicos, "disse Lingjia Shen, um pesquisador associado do SLAC e um dos principais pesquisadores do estudo.
"O que estamos vendo neste sistema é o oposto do que as pessoas viram no passado, "Shen disse." Isso levanta a possibilidade de que pudéssemos controlar o spin e os estados orbitais de um material separadamente, e usar variações nas formas dos orbitais como os 0s e 1s necessários para fazer cálculos e armazenar informações nas memórias de computador. "
A equipe de pesquisa internacional, liderado por Joshua Turner, um cientista da equipe SLAC e investigador do Instituto de Stanford para Materiais e Ciência de Energia (SIMES), relataram seus resultados esta semana em Revisão Física B Comunicações Rápidas .
Intrigante, material complexo
O material que a equipe estudou foi um material quântico à base de óxido de manganês conhecido como NSMO, que vem em camadas cristalinas extremamente finas. Ele existe há três décadas e é usado em dispositivos onde as informações são armazenadas usando um campo magnético para mudar de um estado de spin de elétron para outro, um método conhecido como spintrônica. NSMO também é considerado um candidato promissor para fazer futuros computadores e dispositivos de armazenamento de memória baseados em skyrmions, minúsculos vórtices parecidos com partículas criados pelos campos magnéticos de elétrons girando.
Mas este material também é muito complexo, disse Yoshinori Tokura, diretor do RIKEN Center for Emergent Matter Science no Japão, que também estava envolvido no estudo.
Em experimentos SLAC, cientistas atingiram um material quântico com pulsos de luz laser (topo) para ver como isso afetaria os padrões de ziguezague (meio) em sua estrutura atômica feita pelas direções de spin dos elétrons (setas pretas) e as orientações dos orbitais de elétrons (formas de balões vermelhos) . Eles ficaram surpresos ao descobrir que os pulsos interrompiam os padrões de rotação, deixando os padrões orbitais intactos (parte inferior). Isso levanta a possibilidade de que os estados de rotação e orbital possam ser controlados de forma independente para criar dispositivos eletrônicos muito mais rápidos. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
"Ao contrário de semicondutores e outros materiais familiares, NSMO é um material quântico cujos elétrons se comportam em uma cooperativa, ou correlacionado, maneiras, em vez de independentemente como costumam fazer, ", disse ele." Isso torna difícil controlar um aspecto do comportamento dos elétrons sem afetar todos os outros. "
Uma maneira comum de investigar esse tipo de material é atingi-lo com luz laser para ver como seus estados eletrônicos respondem a uma injeção de energia. Isso é o que a equipe de pesquisa fez aqui. Eles observaram a resposta do material com pulsos de laser de raios-X da Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC.
Um derrete, o outro não
O que eles esperavam ver era que os padrões ordenados de spins e orbitais de elétrons no material ficariam em total desordem, ou "derretido, "à medida que absorviam pulsos de luz laser infravermelha.
Mas para sua surpresa, apenas os padrões de rotação derreteram, enquanto os padrões orbitais permaneceram intactos, Turner disse. O acoplamento normal entre os estados de spin e orbitais foi completamente quebrado, ele disse, o que é algo desafiador de se fazer neste tipo de material correlacionado e não havia sido observado antes.
Tokura disse, "Normalmente, apenas uma pequena aplicação de fotoexcitação destrói tudo. Aqui, eles foram capazes de manter o estado do elétron que é mais importante para os dispositivos futuros - o estado orbital - sem danos. Esta é uma boa adição à ciência da orbitrônica e elétrons correlacionados. "
Assim como os estados de spin do elétron são trocados na spintrônica, os estados orbitais do elétron podem ser trocados para fornecer uma função semelhante. Esses dispositivos orbitrônicos poderiam, em teoria, operar 10, 000 mais rápido do que dispositivos spintrônicos, Shen disse.
Alternar entre dois estados orbitais pode ser possível usando rajadas curtas de radiação terahertz, em vez dos campos magnéticos usados hoje, ele disse:"Combinar os dois poderia alcançar um desempenho muito melhor do dispositivo para aplicações futuras." A equipe está trabalhando em maneiras de fazer isso.
