À medida que a demanda por computação continua a aumentar, os cientistas estão explorando o mundo quântico em busca de formas mais inteligentes de processar grandes quantidades de dados. Uma direção promissora é um campo chamado orbitrônica, que se concentra em usar o movimento dos elétrons ao redor do núcleo de um átomo, conhecido como momento angular orbital, para carregar e armazenar informações de maneira mais eficiente. Tradicionalmente, controlar esse movimento exigia materiais magnéticos, como o ferro, que são pesados, caros e difíceis de escalar para dispositivos práticos.
Um novo estudo agora apresentou uma abordagem muito mais simples para gerar esse movimento orbital nos elétrons. A chave está em uma área emergente da física centrada em fonons quirais.
Fonons Quirais Oferecem um Avanço
Essa é a primeira vez que os pesquisadores demonstraram que fonons quirais podem transferir diretamente momento angular orbital para elétrons em um material não magnético. Essa descoberta remove uma limitação importante que há muito tem dificultado a orbitrônica.
“A geração de correntes orbitais tradicionalmente requer a injeção de corrente de carga em metais de transição específicos, e muitos desses elementos agora são classificados como materiais críticos”, disse Dali Sun, físico da North Carolina State University e coautor do estudo. “Existem outras maneiras de gerar momento angular orbital, mas esse método permite o uso de materiais mais baratos e abundantes.”
“Não precisamos de um ímã. Não precisamos de uma bateria. Não precisamos usar voltagem. Só precisamos de um material com fonons quirais,” acrescentou Valy Vardeny, professor destacado no Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Utah e coautor do estudo. “Antes, isso era inimaginável. Agora, criamos um novo campo, por assim dizer.”
A pesquisa foi liderada pela North Carolina State University, com contribuições de várias instituições, incluindo a Universidade de Utah, e foi publicada na revista Nature Physics.
Compreendendo a Quiralidade e o Movimento Atômico
O avanço depende de como os átomos estão dispostos e como se movem dentro dos materiais. Nos sólidos, os átomos formam estruturas de rede densamente empacotadas. Em muitos materiais, como metais, essas estruturas são simétricas, ou seja, sua imagem refletida parece idêntica.
Materiais quirais são diferentes. Em substâncias como quartzo, os átomos estão dispostos em um padrão espiral, semelhante às roscas de um parafuso. Essas estruturas possuem um torção embutida, à esquerda ou à direita, que não pode ser sobreposta à sua imagem espelhada. As mãos humanas são um exemplo simples de quiralidade.
Os átomos em sólidos não estão estáticos. Eles vibram no lugar. Em materiais simétricos, esse movimento tende a ser lateral. Em materiais quirais, a estrutura torcida faz com que os átomos se movam em um padrão circular ou espiral.
Como os Fonons Quirais Movem Energia
Essas vibrações podem viajar através de um material como ondas coletivas conhecidas como fonons. Em materiais quirais, essas ondas também seguem um movimento circular, formando fonons quirais. Uma maneira útil de visualizar isso é imaginar uma multidão em um show onde uma pessoa começa a balançar e o movimento se espalha pelo grupo.
Como os átomos se movem em um caminho circular, eles carregam momento angular. Os pesquisadores mostraram que esse movimento pode ser passado diretamente para elétrons, conferindo-lhes momento angular orbital sem depender de métodos magnéticos tradicionais.
Quartzo Revela Efeitos Magnéticos Ocultos
Os elétrons carregam uma carga negativa, portanto, campos magnéticos são normalmente necessários para influenciar seu movimento. O quartzo, no entanto, oferece uma vantagem surpreendente. É leve, econômico e seus fonons quirais geram seus próprios efeitos magnéticos internos.
Pela primeira vez, cientistas da Universidade de Utah mediram diretamente esse magnetismo no quartzo usando equipamentos especializados no National High Magnetic Field Lab na Flórida. Ao iluminar o material com lasers e estudar como a luz refletida mudava em cor, comprimento de onda, etc., confirmaram que os fonons quirais no quartzo produzem um campo magnético significativo.
“Mesmo que o material em si não seja magnético, a existência de fonons quirais nos fornece essas alavancas magnéticas para puxar,” disse Rikard Bodin, candidato a doutorado na U e coautor do artigo. “Quando falamos sobre descobrir coisas, como o efeito Seebeck orbital – não posso te dizer que sua TV vai funcionar com isso, mas está criando mais alavancas que podemos puxar para fazer novas coisas. Agora que está aqui, alguém pode impulsioná-lo e, antes que você perceba, será ubíquo. É assim que a tecnologia funciona.”
Alinhando Fonons para Impulsionar o Fluxo de Elétrons
Em condições normais, fonons quirais existem em uma mistura de estados canhotos e destros com níveis de energia variados. Para testar seu conceito, os pesquisadores usaram quartzo α, um cristal com uma estrutura quiral natural. Ao aplicar um campo magnético, conseguiram alinhar esses fonons.
Uma vez que um número suficiente de fonons foi alinhado, seu movimento coletivo foi transferido para os elétrons, mesmo após a remoção do campo magnético externo. Isso produziu um fluxo de momento angular orbital, que a equipe nomeou de efeito Seebeck orbital, inspirando-se no efeito Seebeck de spin que influencia o spin dos elétrons.
Para detectar esse efeito, os cientistas empilharam metais (tungstênio e titânio) sobre o quartzo α. Essa configuração converteu o movimento orbital, que de outra forma estaria oculto, em um sinal elétrico que pôde ser medido.
Rumo a Eletrônicos Mais Eficientes
A abordagem não se limita ao quartzo. Também pode ser aplicada a outros materiais quirais, como telúrio, selênio e perovskitas híbridas orgânico/inorgânicas. Comparado aos métodos existentes, requer menos materiais e permite que o movimento orbital persista por muito mais tempo.
Essa combinação de simplicidade, eficiência e escalabilidade pode tornar a orbitrônica uma opção mais prática para tecnologias futuras, potencialmente levando a dispositivos mais rápidos e energeticamente eficientes.
O estudo envolveu uma ampla colaboração de pesquisadores de instituições, incluindo a North Carolina State University, a Universidade de Utah, a Nanjing Normal University, o Air Force Research Laboratory, a Universidade de Washington, a Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, o National High Magnetic Field Laboratory, a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, a Universidade da Carolina do Sul e a Pennsylvania State University.
