Informação magnética transferida para fóton viaja na velocidade da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/04/2024

Estrutura do componente magnético-fotônico, que teve um brasileiro como um de seus principais realizadores.
[Imagem: Pambiang Abel Dainone et al. - 10.1038/s41586-024-07125-5]

De bit magnético a bit fotônico

Cientistas usaram pulsos elétricos para manipular informações magnéticas em um sinal de luz polarizado, um feito que, quando incorporado em equipamentos adequados, poderá revolucionar as telecomunicações ópticas de longa distância, inclusive entre a Terra e Marte.

A inovação envolve a área da spintrônica, que se baseia na manipulação do spin dos elétrons, a propriedade magnética das partículas, em vez de sua carga elétrica. E tudo foi feito usando luz.

Os pesquisadores aplicaram um pulso elétrico para transferir a informação do spin dos elétrons para os fótons, as partículas que constituem a luz, permitindo que a informação fosse transportada por grandes distâncias a toda velocidade. A técnica atende a três critérios cruciais - controlada eletricamente, dispensa de um campo magnético externo e operação em temperatura ambiente - necessários para uma ampla gama de aplicações, incluindo comunicações ultrarrápidas e tecnologias quânticas.

"Durante décadas sonhamos e previmos dispositivos spintrônicos à temperatura ambiente além da magnetorresistência e apenas armazenando informações. Nossos sonhos se tornaram realidade," disse o professor Igor Zutic, da Universidade de Buffalo, nos EUA.

Um dos principais responsáveis pela inovação foi o brasileiro Nicholas Figueiredo Prestes, formado pela Universidade Federal do Paraná e atualmente na Universidade Paris-Saclay, na França.

Estrutura do spin-LED, que no futuro se tornará um spin-laser.
[Imagem: Pambiang Abel Dainone et al. - 10.1038/s41586-024-07125-5]

Do disco rígido para a luz

O princípio de operação da nova técnica não poderia ser mais simples: Pense em um pombo-correio recebendo uma mensagem e voando até o destino; agora imagine o "pombo-correio definitivo", o meio de transporte mais veloz do Universo, o fóton. A técnica consiste em pegar um bit de informação armazenado magneticamente, como em um disco rígido, transferi-lo para um fóton e então deixar o fóton fazer a viagem até o destino, onde o bit é recuperado.

Já guardarmos informações em materiais ferromagnéticos há muito tempo, mas os elétrons não podem ser simplesmente arrancados do ferromagneto porque a informação se perde. O artifício aqui envolve o que os físicos chamam de acoplamento spin-órbita. O elo perdido crucial então consiste em modular eletricamente a magnetização (o spin do elétron) e passar a informação para a luz (o fóton), o que é feito alterando a helicidade da luz emitida, que pode ser entendida como o modo de rotação do fóton.

O spin do elétron é rapidamente convertido em informação contida na helicidade dos fótons emitidos por um LED, permitindo uma integração perfeita da dinâmica de magnetização com tecnologias fotônicas.

"O conceito de spin-LEDs foi proposto inicialmente no final do século passado. Porém, para a transição para uma aplicação prática, ele precisa atender a três critérios cruciais: Operação em temperatura ambiente, sem necessidade de campo magnético e capacidade de controle elétrico," disse o professor Yuan Lu. "Depois de mais de 15 anos de trabalho dedicado nesta área, nossa equipe colaborativa superou com sucesso todos os obstáculos."

O componente crucial é chamado "injetor de spins".
[Imagem: Pambiang Abel Dainone et al. - 10.1038/s41586-024-07125-5]

Spin-laser

Rumo às aplicações práticas, o próximo passo deverá ser usar laser em vez de LEDs. Quando for feita a implementação da técnica usando diodos laser semicondutores, os chamados spin-lasers, esta codificação de informação altamente eficiente poderá abrir caminho para uma comunicação rápida em distâncias interplanetárias, uma vez que a polarização da luz pode ser conservada na propagação espacial, potencialmente tornando-a o modo mais rápido de comunicação entre a Terra e a Lua, a Terra e Marte e além.

O avanço também beneficiará enormemente o desenvolvimento de várias tecnologias avançadas na Terra, como a comunicação e a computação quântica óptica, a computação neuromórfica para inteligência artificial, transmissores ópticos ultrarrápidos e altamente eficientes para centros de dados e aplicações de Li-Fi, um sistema de comunicação sem fios que aproveita a luz visível para transmissão de dados.

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