Spintrônica I: Elétron troca dados com luz a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/04/2021

O elétron guarda o dado em seu sentido de giro (spin) e então o repassa para a luz que ele emite, que sai girando (luz quiral) num sentido ou noutro.
[Imagem: Yuqing Huang]

Opto-spintrônica

Pesquisadores da Finlândia, Japão e Suécia construíram um componente semicondutor no qual as informações podem ser trocadas de forma eficiente entre o spin de um único elétron e a luz.

E tudo a temperatura ambiente.

Isto é nada menos do que o item número um da lista de desejos de todas as equipes que trabalham com a spintrônica, a tecnologia na qual o momento magnético (spin) de cada elétron é usado para armazenar, processar e transferir informações nos computadores e demais aparelhos eletrônicos - veja mais detalhes sobre a spintrônica na última parte deste artigo.

Além disso, elétrons individuais cujo spin pode ser controlado precisamente são qubits perfeitos para os computadores quânticos.

"Uma vantagem importante da spintrônica baseada em semicondutores é a possibilidade de converter a informação representada pelo estado do spin e transferi-la para a luz e vice-versa. A tecnologia é conhecida como opto-spintrônica. Ela poderá possibilitar a integração do processamento e armazenamento de informações baseados em spin com a transferência de informações através da luz," explicou o professor Weimin Chen, da Universidade de Linkoping, na Suécia.

Elétron conversa com luz

O novo componente spintrônico consiste em uma nanoestrutura que os pesquisadores construíram a partir de camadas de diferentes materiais semicondutores. Ele contém regiões em nanoescala chamadas pontos quânticos.

Quando um elétron cai em um ponto quântico, ele emite luz - para ser mais preciso, ele emite um único fóton com um estado (momento angular) determinado pelo spin do elétron. É por isso que os pontos quânticos são considerados como uma interface para transferir informações entre o spin do elétron e a luz, como será necessário na spintrônica, na fotônica e na computação quântica.

Agora, pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram usar um ponto quântico, que funciona como filtro, para controlar remotamente o spin do elétron dos pontos quânticos vizinhos. E tudo em temperatura ambiente - na verdade, a informação guardada no elétron permaneceu intacta mesmo até 110 ºC.

Os pontos quânticos são feitos com uma camada de arseneto de índio (InAs) e outra de arseneto de gálio (GaAs), separadas por uma camada de arseneto de nitrogênio e gálio (GaNAs), que funciona como filtro. Componentes semelhantes já estão sendo usados na tecnologia optoeletrônica, de forma que os pesquisadores acreditam que isso pode facilitar a integração da spintrônica com componentes eletrônicos e fotônicos existentes.

"Até agora, tivemos um bom nível de sucesso ao usar esses materiais para dispositivos optoeletrônicos, mais recentemente em células solares de alta eficiência e diodos laser. Agora estamos ansiosos para continuar este trabalho e unir fotônica e spintrônica, usando uma plataforma comum para tecnologia quântica baseada em luz e spin," disse o professor Mircea Guina, da Universidade de Tampere, na Finlândia.

A coisa não é muito simples, mas tudo funciona em semicondutores conhecidos e largamente utilizados.
[Imagem: Yuqing Huang et al. - 10.1038/s41566-021-00786-y]

O que é spintrônica

Spintrônica é uma tecnologia que usa a carga e o spin dos elétrons para processar e transportar informações.

O spin de um elétron pode ser imaginado como emergindo quando o elétron gira no sentido horário ou anti-horário em torno do seu eixo, só que as duas direções de rotação são chamadas de "para cima" e "para baixo".

Na tecnologia eletrônica usada hoje, a carga do elétron - mais especificamente uma corrente com um número incontável de elétrons - é usada para representar 0 (quando não há corrente) e 1 (quando há corrente) e, dessa forma, transportar informações. De forma correspondente, as informações podem ser representadas em spintrônica usando o estado de spin de elétrons individuais, sem a corrente elétrica que causa dissipação e aquece os circuitos.

Como vive no mundo sob as regras da física quântica, um elétron pode possuir ambas as direções de spin ao mesmo tempo, em fenômeno conhecido como superposição. Estar nesse estado, que é uma mistura de 1 e 0, é a chave para a computação quântica.

A spintrônica é, portanto, promissora para o desenvolvimento de computadores quânticos, podendo ser entendida como uma ponte entre a computação eletrônica e a computação quântica.

A mais recente opto-spintrônica envolve a transferência de informações representadas pelo spin dos elétrons para a luz e vice-versa. A luz - os fótons - podem transportar a informação adiante por meio de fibras ópticas, muito rapidamente, por longas distâncias e sem aquecimento.

O estado de spin do elétron determina as propriedades da luz ou, para ser mais preciso, ele determina se o campo eletromagnético da luz irá girar no sentido horário ou anti-horário em torno da direção em que viaja, mais ou menos da mesma forma que um saca-rolhas pode ter uma direção de giro no sentido horário ou anti-horário. Assim, essa polarização da luz carrega o dado guardado no spin do elétron.

Mais tópicos