Com os dispositivos eletrônicos modernos se aproximando dos limites da lei de Moore e o desafio contínuo da dissipação de energia no projeto de circuitos integrados, há uma necessidade de explorar tecnologias alternativas além da eletrônica tradicional. A Spintronics representa uma abordagem que poderia resolver esses problemas e oferecer o potencial para a realização de dispositivos de menor consumo de energia.



Uma colaboração entre grupos de pesquisa liderados pelo Professor Barbaros Özyilmaz e pelo Professor Assistente Ahmet Avsar, ambos afiliados ao Departamento de Física e ao Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Nacional de Cingapura (NUS), alcançou um avanço significativo ao descobrir o altamente natureza de transporte de spin anisotrópico do fósforo preto bidimensional.

As descobertas foram publicadas em Nature Materials .

Em contraste com o movimento convencional de carga em dispositivos eletrônicos, a spintrônica concentra-se em dispositivos pioneiros que manipulam a propriedade intrínseca dos elétrons conhecida como “spin”. Semelhante às cargas dos elétrons, o spin dá aos elétrons uma qualidade rotacional, como se estivessem girando em torno de um eixo, fazendo com que se comportem como pequenos ímãs, que têm uma magnitude e uma direção.

O spin do elétron pode existir em um de dois estados, chamados de spin “para cima” ou spin “para baixo”. Isso é análogo à rotação no sentido horário ou anti-horário.

Enquanto os dispositivos eletrônicos tradicionais funcionam movendo cargas ao redor do circuito, a spintrônica opera manipulando o spin do elétron. Isto é importante porque o movimento de cargas elétricas em torno de circuitos elétricos tradicionais necessariamente faz com que alguma energia seja perdida na forma de calor, enquanto o movimento de rotação não dissipa intrinsecamente tanto calor. Esta característica poderia potencialmente permitir a operação do dispositivo com menor consumo de energia.

Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​em usar materiais no limite atomicamente fino para investigar as propriedades dos “canais” de spin, que são como fios que podem facilitar o transporte de spins.

Enfatizando a importância da escolha do material em dispositivos spintrônicos, o professor Özyilmaz disse:"Escolher o material certo é fundamental na spintrônica. Materiais de canal de spin de alto desempenho e funcionais são a espinha dorsal dos dispositivos spintrônicos, permitindo-nos manipular e controlar spins para diversas aplicações."

O fósforo negro é um desses materiais emergentes que está recebendo atenção por suas propriedades spintrônicas favoráveis. O fósforo preto tem uma estrutura cristalina enrugada única e isso significa que o comportamento de seus spins também depende de sua direção.

O professor Avsar disse:"O fósforo negro apresenta transporte de spin altamente anisotrópico, desviando-se do comportamento isotrópico normal visto em materiais de canais de spin convencionais. Sua estrutura cristalina confere características direcionais ao transporte de spin, oferecendo novas possibilidades para controlar dispositivos spintrônicos."

Os pesquisadores fabricaram válvulas giratórias ultrafinas à base de fósforo preto, encapsuladas entre camadas hexagonais de nitreto de boro. A anisotropia do transporte de spin foi estudada injetando spins no fósforo preto em uma extremidade do dispositivo e medindo o sinal de spin na outra extremidade, alterando a direção da corrente de spin.

As medições foram realizadas aplicando um forte campo magnético perpendicular à camada de fósforo negro e comparando-o com aquelas quando um campo magnético fraco é aplicado.

Os pesquisadores observaram que a aplicação de um forte campo magnético resultou em um grande aumento no sinal de spin. Este efeito surge da estrutura cristalina enrugada, pois o forte campo magnético força os spins a apontarem para fora do plano do material, alterando a sua interação com o ambiente e aumentando o seu tempo de vida por um fator de seis.

Este estudo também descobre que o fósforo preto ultrafino exibe tempos de vida de rotação de nanossegundos eletricamente ajustáveis ​​usando um back-gate. A excepcional anisotropia de spin, juntamente com a capacidade de modular eletricamente o transporte de spin, permite a criação de novos dispositivos que não são controlados apenas pelo estado binário de spin (para cima ou para baixo), mas também aproveitam a anisotropia de spin para obter controle direcional.

Isso posiciona o fósforo negro como uma plataforma única para manipulação superior de spins – um avanço fundamental no domínio da spintrônica.

Mais informações: Luke Cording et al, Transporte de spin altamente anisotrópico em fósforo preto ultrafino, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01779-8
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido pela Universidade Nacional de Cingapura