Lembre-se de telefones flip? Nossos smartphones podem um dia parecer tão obsoletos graças à spintrônica, um campo de pesquisa incipiente que promete revolucionar a maneira como nossos dispositivos eletrônicos enviam e recebem sinais.
Na maioria das tecnologias atuais, os dados são codificados como zero ou um, dependendo do número de elétrons que atingem um capacitor. Com a spintrônica, os dados também são transferidos de acordo com a direção em que esses elétrons giram.
Em um novo estudo publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences, uma equipe de pesquisadores da Duke University e do Weizmann Institute liderada por Michael Therien, professor de química da Duke, relata uma conquista fundamental no campo: o desenvolvimento de um sistema que controla o spin dos elétrons e transmite uma corrente de spin a longas distâncias, sem a necessidade das temperaturas ultra-frias exigidas pelos condutores de spin típicos.
“As estruturas que apresentamos aqui são empolgantes porque definem novas estratégias para gerar correntes de spin de grande magnitude à temperatura ambiente”, disse Chih-Hung Ko, primeiro autor do artigo e recente Ph.D em química da Duke.
Os elétrons são como piões. Os elétrons spin-up giram no sentido horário e os elétrons spin-down giram no sentido anti-horário. Elétrons com spins opostos podem ocupar o mesmo volume, mas elétrons que giram na mesma direção se repelem, como ímãs de mesma polaridade.
Ao controlar a maneira como os elétrons giram ao longo de uma corrente, os cientistas podem codificar uma nova camada de informação em um sinal elétrico.
Em vez de simplesmente ligar e desligar os capacitores de forma binária, os dispositivos spintrônicos também podem enviar sinais de acordo com o spin do elétron, onde o spin-up pode significar algo diferente do spin-down.
“Como o spin pode ser para cima ou para baixo, essa é uma informação binária que não é coletada em dispositivos eletrônicos convencionais”, disse David Beratan, professor de química e física da Duke e co-autor do artigo.
As correntes de dispositivos comuns são compostas de números iguais de elétrons com spin para cima e para baixo. À temperatura ambiente, é um desafio gerar uma corrente composta em grande parte por um único spin. As rotações giram, colapsam umas sobre as outras, saem da linha e deformam o sinal como um jogo ruim de telefone.
Agora, Therien e sua equipe desenvolveram uma estratégia para construir condutores moleculares que mantêm os elétrons alinhados, garantindo que todos eles estejam girando em harmonia e propagando a direção do spin por longas distâncias, permitindo que os sinais sejam transmitidos com alta fidelidade, em temperatura do quarto.
“É tudo sobre a persistência dessa polarização de spin”, disse Beratan. “Esses spins são empurrados, eles interagem com as moléculas ao redor, com o que quer que esteja por perto, e isso pode lançá-los. Aqui sua orientação de spin persiste, por longos tempos e longas distâncias. Eles permanecem em linha.”
Os elétrons que giram na direção errada podem ser filtrados para fora de um sistema usando uma classe especial de moléculas chamadas moléculas quirais.
Moléculas quirais são moléculas que se distinguem por terem uma “mão”. Como nossas mãos direita e esquerda, essas moléculas são imagens espelhadas umas das outras. Eles podem ser canhotos ou destros, e sua lateralidade serve como um filtro para os spins dos elétrons. Assim como você seria ejetado de uma esteira se parasse de andar na direção certa, os elétrons que giram na direção oposta à lateralidade da molécula são filtrados.
Therien e sua equipe já haviam desenvolvido estruturas chamadas de fios moleculares ? moléculas encadeadas umas às outras de forma semelhante a um fio, que podem propagar cargas elétricas com muita facilidade. Neste novo estudo, a equipe manipulou esses fios moleculares e adicionou elementos quirais, obtendo um sistema que não apenas transmite carga com resistência muito baixa, mas transmite cargas do mesmo spin, forçando todos os elétrons a girar da mesma maneira.
“Integramos pela primeira vez as funções de propagação de carga e polarização de rotação no mesmo fio molecular”, disse Therien.
Ron Naaman, professor do Instituto Weizmann, cujo laboratório construiu dispositivos baseados nas moléculas de Therien, disse que o transporte seletivo de spin possibilitado por esses sistemas oferece um tremendo potencial para codificação e transmissão de informações.
O fato de esses fios moleculares transmitirem spins à temperatura ambiente os torna promissores para o desenvolvimento de novas tecnologias.
?Transmitir seletivamente o spin à temperatura ambiente por longas distâncias sem defasar abre oportunidades para uma ampla gama de dispositivos e pode ser importante para a ciência da informação quântica?, disse Therien.
“Ter que resfriar seu computador com nitrogênio líquido não seria muito prático”, disse Beratan. “Se pudermos processar rotações à temperatura ambiente de forma eficaz, seria realmente um avanço em sua aplicação prática”.
Publicado em 04/02/2022 08h07
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