Em uma descoberta que ajudará a identificar estados quânticos exóticos, Os físicos do RIKEN viram fatores fortemente concorrentes que afetam o comportamento de um elétron em um material quântico de alta qualidade.

Os elétrons têm uma propriedade chamada spin, que pode ser grosseiramente pensado como a rotação de um elétron em torno de um eixo. Conforme um elétron se move, seu movimento e rotação podem ser vinculados por meio de um efeito conhecido como acoplamento spin-órbita. Este efeito é útil porque oferece uma maneira de controlar externamente o movimento de um elétron, dependendo de seu spin - uma habilidade vital para uma tecnologia emergente chamada spintrônica, que busca usar o spin do elétron para realizar o processamento de informações de baixo consumo de energia.

O acoplamento spin-órbita é uma mistura complexa de física quântica e relatividade, mas fica um pouco mais fácil de entender ao imaginar uma bola de futebol redonda. "Se um jogador de futebol chuta a bola, ele voa em uma trajetória reta, "explica Denis Maryenko, do RIKEN Center for Emergent Matter Science." Mas se o jogador der um pouco de rotação à bola, ou gire, seu caminho se curva. "A trajetória da bola e seu movimento giratório estão conectados. Se sua direção de giro for invertida, o caminho da bola dobrará na direção oposta.

Ao contrário das bolas de futebol, os elétrons também interagem entre si:duas partículas carregadas negativamente se repelirão, por exemplo. Esta repulsão mútua e a interação spin-órbita competem entre si:a primeira pode atuar para alinhar o spin de um elétron com o de outros elétrons, enquanto o último tenta alinhar o spin de um elétron com seu movimento.

"Essa interação atraiu recentemente muito interesse, uma vez que pode levar ao surgimento de novas fases eletrônicas e de spin, que pode ser usado em futuras tecnologias quânticas, "diz Maryenko." Portanto, é importante compreender os fundamentos da interação. "Mas é incrivelmente difícil identificar os dois efeitos ao mesmo tempo.

Agora, Maryenko e seus colegas conseguiram separar os dois efeitos.

Eles olharam para os elétrons presos entre dois semicondutores, óxido de zinco e magnésio e óxido de zinco. Uma vez que o sistema tinha muito poucas impurezas atômicas, havia uma forte interação entre os elétrons. E os pesquisadores puderam controlar a força do acoplamento spin-órbita variando o teor de magnésio. "Observamos cuidadosamente como a resistência da amostra mudou quando aplicamos um campo magnético, "diz Maryenko. Desta forma, eles foram capazes de identificar assinaturas de ambos spin-órbita e repulsão mútua devido às cargas dos elétrons.

Este sistema de material de alta qualidade, portanto, representa um grande recurso para testar previsões teóricas e abre um caminho para desenvolver fenômenos spintrônicos em regimes de correlação eletrônica forte.