Descoberta de monopolos do momento angular orbital abre caminho para orbitrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/10/2024

Monopolos do momento angular orbital são interessantes porque permitem um momento uniforme em todas as direções, o que significa que os fluxos de informação poderão ser gerados em qualquer direção.
[Imagem: Monika Bletry/PSI]

Orbitrônica

Os monopolos do momento angular orbital têm sido objeto de grande interesse porque oferecem grandes vantagens práticas para o campo emergente da orbitrônica, que promete dar nova vida à eletrônica e à miniaturização.

Assim como a já conhecida spintrônica, a orbitrônica explora uma quantidade física chamada momento angular, uma propriedade de qualquer massa que se mova ao redor de uma posição fixa, seja essa massa um pião ou um elétron. A spintrônica já está em uso (a tecnologia ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2007), mas ela tem como principal inconveniente o fato de não funcionar com átomos leves, como o silício, que é o preferido da eletrônica e tem todo o parque industrial a seu favor.

Foi aí que nasceu a orbitrônica: Da mesma forma que uma corrente elétrica, que consiste no fluxo de elétrons negativamente carregados, uma corrente orbital consiste de um fluxo de elétrons com seus momentos angulares alinhados, formando um circuito orbitrônico.

Ora, se estamos pesquisando monopolos magnéticos há décadas, então deve haver também monopolos de momento angular orbital. E esses monopolos são tão atrativos porque, segundo os cálculos, neles o momento angular orbital torna-se uniforme em todas as direções, ou seja, isotrópico.

Pelos cálculos dos físicos teóricos, nesses monopolos o momento angular orbital irradia para fora de um ponto central, como os espinhos de um ouriço que se enrola ante uma ameaça. E isso pode ser revolucionário porque significa que os fluxos de informação não precisarão mais seguir uma direção única ou determinada. "Essa é uma propriedade muito útil, pois significa que fluxos de momentos angulares orbitais podem ser gerados em qualquer direção," explicou Michael Schuler, do Instituto Paul Scherrer, na Suíça.

Em materiais especiais, como nessa liga PtGa, os átomos são dispostos em uma estrutura semelhante a um parafuso (lado esquerdo da figura). Os átomos de Ga formam um parafuso destro (átomos destacados na linha vermelha), enquanto os átomos de Pt formam um parafuso canhoto (átomos destacados na linha azul). E esta estrutura quiral dá origem a propriedades eletrônicas especiais, como uma distribuição do momento angular orbital dos elétrons em torno de pontos de alta simetria (lado direito da figura).
[Imagem: Michael Schüler]

Monopolos de momento angular orbital

Desde que todas essas teorias foram publicadas, a questão de um bilhão de dólares passou a ser: Quais materiais devemos usar para gerar fluxos de momento angular orbital e, assim, encontrar seus monopolos?

A equipe encontrou uma primeira resposta para essa questão: Semimetais topológicos quirais, uma nova classe de materiais descoberta no mesmo instituto em 2019. Esses materiais possuem uma estrutura atômica helicoidal, o que lhes confere uma "lateralidade" natural, ou quiralidade, como a dupla hélice do DNA, dotando-os naturalmente de padrões ou texturas de momento angular orbital que permitem seu fluxo - ou seja, correntes de momento angular orbital.

"Isso oferece uma vantagem significativa em relação a outros materiais porque você não precisa aplicar estímulos externos para obter texturas de momento angular orbital - elas são uma propriedade intrínseca do material," explicou Schuler. "Isso pode facilitar a criação de correntes estáveis e eficientes de momento angular orbital sem precisar de condições especiais."

A equipe então correu para procurar não apenas a corrente de momento angular orbital, mas sobretudo para ver se conseguiam encontrar indícios dos seus monopolos. Para isso, eles selecionaram dois tipos de semimetais topológicos quirais: um feito de paládio e gálio e outro feito de platina e gálio.

"No começo, os dados não faziam sentido. O sinal parecia estar mudando por todo lugar," contou Schuler. Mas um pouco mais de trabalho e dados adicionais mostraram que os sinais medidos não são diretamente proporcionais aos momentos angulares orbitais, como as teorias indicavam; em vez disso, eles giram em torno dos monopolos conforme a energia do fóton usado para medi-los é alterada. Dessa forma, o estudo preencheu a lacuna entre teoria e o experimento, comprovando a presença dos monopolos de momento angular orbital.

Agora, com a teoria e a experiência finalmente unidas, a comunidade de pesquisa tem todos os meios necessário para explorar texturas de momento angular orbital em uma variedade de materiais, eventualmente encontrando um ideal ou otimizando algum deles para torná-lo adequado para a orbitrônica.

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