Um estudo realizado por pesquisadores da NC State University e da Universidade de Pittsburgh revela que a direção da injeção de spin influencia a transmissão do spin do elétron em materiais quirais, abrindo caminho para avanços em tecnologias spintrônicas com eficiência energética.
Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte e da Universidade de Pittsburgh investigaram como a informação de spin de um elétron, chamada de corrente de spin pura, se move através de materiais quirais. Eles descobriram que a direção na qual os spins são injetados nos materiais quirais afeta sua capacidade de passar através deles. Esses “gateways” quirais poderiam ser usados para projetar dispositivos spintrônicos com eficiência energética para armazenamento de dados, comunicação e computação.
Os dispositivos spintrônicos aproveitam o spin de um elétron, em vez de sua carga, para criar corrente e mover informações através de dispositivos eletrônicos.
“Um dos objetivos da spintrônica é mover informações de spin através de um material sem ter que mover também a carga associada, porque mover a carga consome mais energia – é por isso que seu telefone e computador ficam quentes quando você os usa por muito tempo”, diz David Waldeck, professor de química na Escola de Artes e Ciências Kenneth P. Dietrich de Pitt e co-autor correspondente do trabalho.
O papel da quiralidade na spintrônica
Sólidos quirais são materiais que não podem ser sobrepostos à sua imagem espelhada – pense nas suas mãos esquerda e direita, por exemplo. Uma luva para canhotos não cabe na mão direita e vice-versa. A quiralidade em materiais spintrônicos permite aos pesquisadores controlar a direção do spin dentro do material.
“Antes deste trabalho, pensava-se que o sentido de quiralidade, ou ‘lateralidade’, de um material era muito importante para saber como e se o spin se moveria através desse material”, diz Dali Sun, professor associado de física, membro do o Laboratório de Eletrônica Orgânica e de Carbono (ORaCEL) em Universidade Estadual da Carolina do Norte e co-autor correspondente da obra.
“E quando você move todo o elétron através do material, isso ainda é verdade. Mas descobrimos que se você injetar spin puro em um material quiral, a absorção da corrente de spin depende fortemente do ângulo entre a polarização do spin e o eixo quiral; em outras palavras, se a polarização do spin está alinhada paralelamente ou perpendicularmente ao eixo quiral.”
Descobertas Experimentais sobre Correntes de Spin
“Usamos duas abordagens diferentes, excitação de partículas por micro-ondas e aquecimento ultrarrápido a laser, para injetar spin puro nos materiais quirais selecionados neste estudo, e ambas as abordagens nos deram a mesma conclusão”, diz Jun Liu, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial. membro da ORaCEL na NC State e co-autor correspondente do trabalho.
“Os materiais quirais que escolhemos são dois filmes finos de óxido de cobalto quiral, cada um com uma quiralidade diferente, ou ‘lateralidade’”, diz Liu. “Filmes finos de óxido de cobalto não quirais são comumente usados na eletrônica moderna.”
Quando a equipe injetou spin puro alinhado perpendicularmente ao eixo quiral do material, eles notaram que o spin não viajava através do material. No entanto, quando o spin puro foi alinhado paralelamente ou antiparalelamente ao eixo quiral, sua absorção, ou capacidade de passar através do material, melhorou em 3.000%.
“Como o spin só pode passar por esses materiais quirais em uma direção, isso poderia nos permitir projetar gateways quirais para uso em dispositivos eletrônicos”, diz Sun. “E este trabalho também desafia parte do que pensávamos saber sobre materiais quirais e spin, que é algo que queremos explorar mais a fundo.”
Referência: “Absorção anisotrópica colossal de correntes de spin induzidas pela quiralidade” por Rui Sun, Ziqi Wang, Brian P. Bloom, Andrew H. Comstock, Cong Yang, Aeron McConnell, Caleb Clever, Mary Molitoris, Daniel Lamont, Zhao-Hua Cheng, Zhe Yuan, Wei Zhang, Axel Hoffmann, Jun Liu, David H. Waldeck e Dali Sun, 3 de maio de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adn3240
O trabalho é apoiado pelo Departamento de Energia sob os números DE-SC0020992 e ER46430; o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, Programa de Iniciativas de Pesquisa Universitária Multidisciplinar (MURI) sob os números de prêmio FA9550-23-1-0311 e FA9550-23-1-0368; e a National Science Foundation sob os números de prêmio DMR 2011978 e NSF-ECCS 2246254.
