A Spintrônica, também conhecida como eletrônica de spin, é um campo de pesquisa que explora como o spin intrínseco dos elétrons e seu momento magnético podem ser explorados por dispositivos. Dispositivos Spintronic são promissores para uma ampla gama de aplicações, particularmente para armazenamento e transferência de dados de forma eficiente.
O principal requisito para dispositivos spintrônicos é a capacidade de controlar e detectar a polarização de spin dos elétrons. A polarização do spin é essencialmente o grau em que o spin (isto é, o momento angular intrínseco dos elétrons e outras partículas elementares) está alinhado com uma direção específica.
Pesquisadores da University of St Andrews no Reino Unido e de outros institutos em todo o mundo mostraram recentemente que o hélio pode influenciar a polarização do spin da corrente de tunelamento e o contraste magnético de uma técnica conhecida como microscopia de tunelamento de varredura polarizada por spin (SP STM). Suas descobertas, publicadas na Physical Review Letters, podem ter implicações importantes para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos.
Em sua pesquisa anterior, o mesmo grupo de pesquisa investigou a ordem magnética no material antiferromagnético telureto de ferro. Notavelmente, eles descobriram que, ao coletar material magnético da superfície de sua amostra usando uma ponta STM, eles puderam obter a imagem da ordem magnética da amostra.
“Como parte do meu projeto de doutorado, eu deveria configurar um novo STM em um ímã vetorial e uma das primeiras medições que me propus a fazer foi reproduzir essa imagem”, Christopher Trainer, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. “Eu tentei muito, mas não consegui fazê-lo funcionar. Esta foi uma enorme intrigante porque geralmente, essa medição funcionou de forma bastante direta, até que descobrimos que o novo microscópio tinha um vazamento em seu vácuo, de modo que o lítio líquido que usamos para resfriar o experimento poderia entrar na câmara de medição. ”
Com base em suas observações anteriores, Trainer e seus colegas decidiram testar a hipótese de que o hélio poderia afetar a capacidade de seu microscópio de obter imagens da ordem magnética. Para fazer isso, eles consertaram o vazamento de hélio e sistematicamente adicionaram hélio à câmara de medição do microscópio. Seus experimentos revelaram que o hélio preso entre a ponta do STM e sua amostra pode suprimir completamente a capacidade do microscópio de detectar a ordem magnética.
“Normalmente, nunca teríamos adicionado hélio deliberadamente na lata de vácuo do nosso microscópio, porque corre o risco de destruir a cabeça do STM”, disse Peter Wahl, outro pesquisador envolvido no estudo, ao Phys.org. “Na verdade, devido às altas tensões necessárias para controlar a posição da ponta, pode-se obter descargas de arco na fiação, efetivamente ‘queimando’ a cabeça de medição, o coração do nosso microscópio. Em retrospecto, o efeito chave, (ou seja, que nos tornamos sensíveis às interações de troca, uma vez que há uma partícula de sonda na junção de tunelamento) era provavelmente previsível, mas ninguém havia realizado a medição. ”
Em seu estudo recente, Trainer, Wahl e seus colegas usaram um STM, um microscópio que pode ser usado para imagens de superfícies em nível atômico, para medir uma amostra de telureto de ferro que exibia uma ordem antiferromagnética incomum. Notavelmente, os microscópios STM funcionam aproveitando a capacidade dos elétrons de ‘tunelar’ através de barreiras potenciais que eles normalmente não seriam capazes de atravessar.
“Ao trazer uma ponta atomicamente afiada extremamente perto da superfície de uma amostra (bem dentro de um bilionésimo de um metro), os elétrons podem ‘pular’ entre a ponta e a amostra”, explicou Trainer. “Movendo a ponta através da superfície da amostra, podemos usar este efeito para construir uma imagem atômica da superfície da amostra. O STM também pode ser usado para o fim da imagem magnética se a ponta da sonda do microscópio for magnética.”
O objetivo principal dos experimentos conduzidos por Trainer, Wahl e seus colegas era determinar que efeito os átomos de hélio presos entre esta ponta e uma amostra de telureto de ferro teriam. Ao alterar a voltagem aplicada entre a ponta do STM e sua amostra, a equipe pode ejetar os átomos de hélio entre a ponta e a amostra.
“Descobrimos que a voltagem necessária para expulsar o hélio nos dá acesso à sua energia de ligação e é dependente da interação magnética entre a ponta e a amostra e, portanto, medindo com precisão a voltagem necessária para ejetar o Helio através da superfície da amostra poderíamos mapear a interação de troca magnética (ou a força magnética) entre a ponta e a amostra “, explicou Trainer.
Curiosamente, os pesquisadores também descobriram que a presença ou ausência de hélio na junção de tunelamento impactou dramaticamente a polarização de spin dos elétrons de tunelamento. Isso significa que aplicando tensões diferentes à amostra e, conseqüentemente, ao hélio na junção de tunelamento, pode-se controlar a polarização de spin da corrente de tunelamento.
“Os dois principais resultados do nosso estudo são que podemos controlar a polarização do spin dos elétrons que fazem túnel entre a ponta e a amostra usando uma tensão aplicada, bem como medir a interação de troca entre a ponta e a amostra sem ter que realizar uma medição de força , como havia sido feito anteriormente “, disse o treinador.
No futuro, o método de controle da polarização do spin dos elétrons por meio de uma voltagem aplicada apresentado por esta equipe de pesquisadores poderá possibilitar o desenvolvimento de novos circuitos e dispositivos spintrônicos. Enquanto isso, Trainer, Wahl e seus colegas planejam realizar mais estudos com o objetivo de testar a estratégia apresentada em seu artigo recente.
“Existem muitos materiais quânticos exóticos com fases magnéticas complexas que mostram uma física interessante, embora desapontadoramente, muitos desses materiais são isolantes, o que significa que eles não podem ser estudados diretamente por um microscópio de tunelamento”, acrescentou Trainer. “Um de nossos planos de pesquisa futura é fazer crescer camadas desses materiais magnéticos isolantes em um substrato metálico que permitiria aos elétrons do microscópio fazer um túnel através da camada isolante.”
Em última análise, Trainer e seus colegas esperam que, aplicando uma camada de hélio a uma superfície isolante e coletando medições com uma ponta magnética, eles sejam capazes de medir a interação de troca entre a ponta e a camada isolante. Isso, por sua vez, permitiria que eles caracterizassem o magnetismo dos materiais magnéticos isolantes que examinam, que de outra forma seriam indetectáveis pelas técnicas de STM.
“Nosso método fornece uma nova maneira de magnetismo quântico de imagem, por exemplo, em sistemas magnéticos frustrados”, disse Wahl. “Uma questão interessante em aberto é como as flutuações magnéticas afetariam a interação de troca e se esse método seria sensível às ordens magnéticas flutuantes.”
Publicado em 03/11/2021 11h04
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