Dois bits são gravados em um único átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/09/2020

A ponta do microscópio de tunelamento é tão fina que pode chegar a terminar em um único átomo - o que a permite manipular o átomo onde se deseja gravar os dados.
[Imagem: TU Delft]

Magnetismos do átomo

Pesquisadores finlandeses conseguiram manipular, de forma independente, dois tipos diferentes de magnetismo dentro de um único átomo.

Em outras palavras, eles demonstraram ser possível guardar dois bits por átomo, superando o que se imaginava ser a fronteira final da densidade de armazenamento de dados.

O magnetismo de um átomo é o resultado de elétrons orbitando ao redor do núcleo. Essas rotações podem ser divididas em duas categorias.

"Compare com a órbita da Terra ao redor do Sol," explicou o pesquisador Sander Otte, da Universidade de Tecnologia de Delft. "Por um lado, a Terra orbita em torno do Sol, o que leva um ano. Por outro lado, a Terra também gira em torno do seu próprio eixo, o que leva ao ciclo dia e noite."

É a mesma coisa com um elétron girando em torno de um átomo: a rotação em torno do núcleo do átomo é chamada de momento angular orbital, e a rotação do elétron em torno de seu próprio eixo é chamada de momento angular de spin - ou só spin, um mecanismo que deu origem à spintrônica.

Cada um desses movimentos poderia, em princípio, ser usado para armazenar informação. A rotação orbital, por exemplo, pode ser horária ou anti-horária, e o spin pode ser para baixo ou para cima. Em ambos os casos, as duas direções podem representar o 0 e o 1 de um bit.

"Na prática, porém, isso é bastante difícil," ressalvou Otte. "Se você inverter a direção orbital, a direção do giro quase sempre muda com ela e vice-versa."

O experimento usou um átomo de nitrogênio e um átomo magnético de ferro.
[Imagem: Rasa Rejali et al. - 10.1038/s41535-020-00262-w]

Dois bits por átomo

A equipe superou essas dificuldades tirando proveito de um fenômeno previsto por Albert Einstein e pelo físico holandês Wander Johannes de Haas.

De acordo com esse efeito Einstein-de Haas, a reversão da direção orbital pode ser compensada por uma rotação incomensuravelmente pequena do ambiente - neste caso, o pedaço de metal ao qual o átomo pertence. Esse efeito não havia sido observado anteriormente na escala de um único átomo - menos ainda ser explorada para manipular o magnetismo atômico.

A inversão da direção da direção orbital do átomo foi realizada sem afetar a direção do spin usando um microscópio de tunelamento de varredura, no qual uma agulha muito fina escaneia os átomos, podendo até movê-los individualmente.

Normalmente, um átomo magnético faz contato com vários átomos vizinhos, que anulam seu magnetismo. A equipe conseguiu fazer uma separação perfeita entre o spin e a rotação orbital de que precisavam posicionando um átomo de ferro magnético precisamente em cima de um único átomo de nitrogênio, que não é magnético. Ao fazer isso, eles criaram uma geometria ideal que raramente ocorre espontaneamente na natureza.

"O principal resultado é que demos mais um passo em nossa capacidade de controlar átomos e até mesmo os elétrons que orbitam ao redor deles. Essa é uma meta maravilhosa por si só," disse Otte.

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