Uma nova abordagem na análise de materiais:benefícios de sondar estados de spin de elétrons com resolução e eficiência muito mais altas
Resumo Gráfico. Crédito:Ciência e Tecnologia de Materiais Avançados:Métodos (2024). DOI:10.1080/27660400.2024.2328206 Os estados de spin do elétron agora podem ser investigados com resolução muito maior e de forma mais eficiente, abrindo novas oportunidades em análise de materiais e tecnologias de processamento de dados.
Os pesquisadores Koichiro Yaji e Shunsuke Tsuda, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, desenvolveram um tipo aprimorado de microscópio que pode visualizar aspectos-chave dos estados de spin dos elétrons nos materiais. O estudo foi publicado na revista Science and Technology of Advanced Materials:Methods .
A propriedade da mecânica quântica dos elétrons chamada spin é mais complexa do que o spin dos objetos em nosso mundo cotidiano, mas está relacionada a ele como uma medida do momento angular de um elétron. Os estados de spin dos elétrons podem ter um impacto significativo no comportamento eletrônico e magnético dos materiais dos quais fazem parte.
A tecnologia desenvolvida por Yaji e Tsuda é conhecida como microscopia de fotoemissão com resolução de spin do tipo imagem (iSPEM). Ele usa a interação da luz com os elétrons em um material para detectar o alinhamento relativo dos spins dos elétrons. É particularmente focado na polarização do spin do elétron – até que ponto os spins do elétron estão alinhados coletivamente em uma direção específica.
A máquina iSPEM da equipe consiste em três câmaras de ultra-alto vácuo interconectadas para preparar e analisar a amostra. Os elétrons são emitidos da amostra absorvendo energia luminosa, acelerados através do aparelho e depois analisados pela interação com um cristal de filtro de spin. Os resultados são exibidos como imagens que os especialistas podem usar para coletar as informações necessárias sobre os estados de spin do elétron na amostra.
“Em comparação com máquinas convencionais, nossa máquina iSPEM melhora drasticamente a eficiência de aquisição de dados em dez mil vezes, com uma melhoria de mais de dez vezes na resolução espacial”, diz Yaji. "Isso oferece enormes oportunidades para caracterizar a estrutura eletrônica de materiais e dispositivos microscópicos em níveis anteriormente inacessíveis na região submicrométrica."
Este avanço poderia promover melhorias no uso dos estados de spin do elétron no processamento de informações e outros dispositivos eletrônicos, como parte do campo de rápido desenvolvimento conhecido como spintrônica. Em aplicações spintrônicas, o estado de spin dos elétrons é utilizado para armazenar e processar informações, além do uso tradicional de carga elétrica.
“Isso poderia levar a dispositivos eletrônicos mais rápidos e com maior eficiência energética, incluindo computadores quânticos”, diz Yaji. A aplicação das sutilezas do comportamento da mecânica quântica à computação está na vanguarda dos esforços para levar os poderes da computação a outro nível, mas até agora a maioria dos avanços tem sido restrita a demonstrações misteriosas, em vez de aplicações práticas. Dominar a compreensão, o controle e a visualização do spin do elétron pode ser um avanço significativo.
"Planejamos agora usar a nossa máquina para investigar as possibilidades de desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos baseados no spin do elétron, porque ela nos permitirá examinar as propriedades de amostras minúsculas e estruturalmente complexas, anteriormente escondidas da vista", conclui Yaji.
