Molécula artificial controla spin de elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/07/2010

Os elétrons são confinados em camadas semicondutoras (laranja e azul) com níveis de energia diferentes, criando os chamados átomos artificiais. Dois deles, construídos um sobre o outro, constituem a molécula artificial, que permite o controle preciso do spin dos elétrons. No detalhe, a estrutura da molécula artificial.
[Imagem: Keiji Ono]

Cientistas japoneses construíram uma "molécula artificial" formada por componentes semicondutores que, como os átomos naturais, conseguem aprisionar os elétrons em bandas discretas de energia.

Com os elétrons aprisionados e sob controle, torna-se possível ler e controlar seus spins, um passo fundamental para a viabilização de tecnologias futurísticas, como a spintrônica e a computação quântica.

Manipulação dos spins

Componentes construídos em nanoescala aprisionam os elétrons, confinando-os em camadas de materiais semicondutores que funcionam como bandgaps, criando níveis discretos de energia análogos aos encontrados nos átomos naturais.

Os elétrons ficam confinados em volumes tão pequenos que torna-se possível manipular seus spins - uma propriedade quântica dos elétrons que pode ser interpretada como a direção na qual a partícula está girando.

O spin do elétron, girando num ou noutro sentido, pode ser utilizado para armazenar dados binários - veja Spin de um átomo é fotografado pela primeira vez.

Molécula artificial

Esses átomos artificiais podem apresentar várias outras propriedades dos átomos, graças às suas camadas discretas de energia. "Um exemplo é o Efeito Zeeman, no qual um campo magnético externo divide o nível de energia de um único elétron em dois, dependendo do seu spin," explica o Dr. Keiji Ono, do Instituto Riken, no Japão.

O Dr. Ono e sua equipe agora demonstraram que essa analogia pode ser levada ainda mais longe, fazendo com que dois átomos artificiais, colocados muito próximos entre si, podem se comportar como uma molécula artificial.

Em princípio, seria possível até mesmo transferir um elétron entre os dois átomos artificiais ajustando o nível de energia de um elétron de um deles, por meio de um campo elétrico, por exemplo, para que ele coincida com o nível de energia do segundo átomo.

Esse fenômeno, conhecido como tunelamento ressonante, ocorre em moléculas artificiais formadas por dois átomos idênticos. Os cientistas japoneses verificaram, contudo, com o mecanismo não é tão simples quando a molécula artificial é formada por átomos diferentes.

Efeito Zeeman

A molécula artificial construída por Ono e seus colegas é formada por um átomo de arseneto de gálio, medindo 10 nanômetros de espessura. Sobre ele, foi construído outro átomo artificial, de arseneto de gálio-índio, medindo 6,5 nanômetros.

Os elétrons são aprisionados na transversal, no interior de pilares que atravessam os átomos artificiais, cada um com um diâmetro de menos de um micrômetro.

A diferença no tamanho e na composição dos átomos artificiais significa que o Efeito Zeeman é mais forte no átomo de cima do que no de baixo. Isto impede alinhar os níveis de energia resultantes da divisão Zeeman nos dois átomos ao mesmo tempo.

Por isso, quando um estado de energia de um átomo é alinhado com um estado de energia no outro átomo, o fluxo de elétrons na molécula artificial se reduz, um efeito que eles chamaram de bloqueio de spin.

O fluxo de elétrons voltou a aumentar quando eles ajustaram os dois níveis de Zeeman em um átomo com o ponto intermediário do nível de energia do segundo átomo.

"Esta descoberta pode ser utilizada como uma ferramenta básica para selecionar, filtrar ou inicializar o spin de um elétron individual," afirma Ono. "Eu acredito que isto possa ser muito útil no processamento quântico de informações."

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