(Notícias Nanowerk) Os monopolos de momento angular orbital têm sido objeto de grande interesse teórico, pois oferecem grandes vantagens práticas para o campo emergente da orbitrônica, uma alternativa potencial de eficiência energética à eletrônica tradicional. Agora, através de uma combinação de teoria robusta e experimentos no Swiss Mild Supply SLS no Paul Scherrer Institute PSI, sua existência foi demonstrada.
A descoberta foi publicada na revista Física da Natureza (“Monopólos de momento angular orbital controlável em semimetais topológicos quirais”).
Enquanto a electrónica utiliza a carga do electrão para transferir informação, a tecnologia do futuro com menor impacto ambiental poderá utilizar uma propriedade diferente dos electrões para processar informação. Até recentemente, o principal candidato a um tipo diferente de ‘trônica’ period spintrônica. Aqui, a propriedade usada para transferir informações é o spin do elétron.
Os pesquisadores também estão explorando a possibilidade de usar o momento angular orbital (OAM) dos elétrons que orbitam seu núcleo atômico: um campo emergente conhecido como orbitrônica. Este campo é muito promissor para dispositivos de memória, especialmente porque uma grande magnetização poderia ser potencialmente gerada com correntes de carga relativamente pequenas, levando a dispositivos energeticamente eficientes. A questão de um milhão de dólares agora é identificar os materiais certos para gerar fluxos de OAMs, um pré-requisito para a orbitrónica.
Agora, uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas do Instituto Paul Scherrer PSI e dos Institutos Max Planck em Halle e Dresden, na Alemanha, mostrou que os semimetais topológicos quirais, uma nova classe de materiais descoberta no PSI em 2019, possuem propriedades que os tornam altamente escolha prática para geração de correntes de OAMs.
Monopólos de momento angular orbital (OAM) são uma perspectiva tentadora para a orbitrônica porque o OAM é uniforme em todas as direções. Isto significaria que os fluxos de informação poderiam ser gerados em qualquer direção. (Imagem: Monika Bletry, Instituto Paul Scherrer)
Semimetais topológicos quirais: uma solução direta para orbitrônica
Na busca por materiais adequados para a orbitrônica, já foram dados avanços utilizando materiais convencionais como o titânio. No entanto, desde a sua descoberta há cinco anos, os semimetais topológicos quirais tornaram-se um concorrente intrigante. Esses materiais possuem uma estrutura atômica helicoidal, o que confere uma ‘lateralidade’ pure como a dupla hélice do DNA e podem dotá-los naturalmente de padrões ou texturas de OAM que permitem seu fluxo.
“Isso oferece uma vantagem significativa para outros materiais porque você não precisa aplicar estímulos externos para obter texturas OAM – elas são uma propriedade intrínseca do materials”, explica Michael Schüler, líder do grupo no Centro de Computação Científica, Teoria e Knowledge no PSI e professor assistente de física na Universidade de Friburgo, que co-liderou o estudo recente. “Isso poderia tornar mais fácil a criação de correntes de OAM estáveis e eficientes sem a necessidade de condições especiais.”
A perspectiva atraente, mas elusiva, dos monopolos de momento angular orbital
Há uma textura OAM specific, hipotetizada em semimetais topológicos quirais, que tem cativado os pesquisadores: os monopolos OAM. Nesses monopolos, o OAM irradia para fora a partir de um ponto central, como as pontas de um ouriço assustado enrolado em uma bola.
A razão pela qual estes monopolos são tão tentadores é que o OAM é uniforme em todas as direcções: isto é, é isotrópico. “Esta é uma propriedade muito útil, pois significa que fluxos de OAMs podem ser gerados em qualquer direção”, diz Schüler.
No entanto, apesar da atração dos monopolos OAM pela orbitrónica, até este último estudo, eles permaneciam um sonho teórico.
Ouriços se escondem entre a teoria e o experimento
Para observá-los experimentalmente, a esperança está em uma técnica conhecida como Dicroísmo Round em Espectroscopia de Fotoemissão com Resolução de Ângulo, ou CD-ARPES, usando raios X circularmente polarizados de uma fonte de luz síncrotron. No entanto, no passado, uma lacuna entre a teoria e a experiência impediu os investigadores de interpretar os dados. “Os investigadores podem ter tido os dados, mas as provas dos monopolos OAM estavam enterradas neles”, diz Schüler.
No ARPES, a luz incide sobre um materials, ejetando elétrons. Os ângulos e energias desses elétrons ejetados revelam informações sobre a estrutura eletrônica do materials. No CD-ARPES, a luz incidente é polarizada circularmente.
“Uma suposição pure é que se você usar luz polarizada circularmente, estará medindo algo que é diretamente proporcional aos OAMs”, explica Schüler. “O problema é que, como mostramos no nosso estudo, esta acaba por ser uma suposição um tanto ingénua. Na realidade, é um pouco mais complexo”.
O rigor preenche a lacuna
Em seu estudo, Schüler e colegas examinaram dois tipos de semimetais topológicos quirais no Swiss Mild Supply SLS: aqueles feitos de paládio e gálio ou platina e gálio. Determinada a revelar as texturas OAM escondidas na complexa rede de dados CD-ARPES, a equipe desafiou todas as suposições com uma teoria rigorosa.
Em seguida, eles deram um passo experimental further incomum e essential de variar as energias dos fótons. “No início, os dados não faziam sentido. O sinal parecia estar mudando em todos os lugares”, diz Schüler.
Desvendando meticulosamente como diferentes contribuições complicavam os cálculos de OAM a partir de dados CD-ARPES, eles revelaram que o sinal CD-ARPES não period diretamente proporcional aos OAMs, como se acreditava anteriormente, mas girava em torno dos monopolos à medida que a energia do fóton period alterada. Desta forma, preencheram a lacuna entre a teoria e a experiência e provaram a presença de monopolos OAM.
Portas abertas para explorar texturas de momento angular orbital em novos materiais
Armados com a capacidade de visualizar com precisão os monopolos OAM, Schüler e colegas mostraram que a polaridade do monopolo – quer os picos dos OAMs apontem para dentro ou para fora – poderia ser revertida usando um cristal com uma quiralidade de imagem espelhada. “Esta é uma propriedade muito útil, já que dispositivos orbitrônicos poderiam potencialmente ser criados com direcionalidades diferentes”, diz Schüler.
Agora, com a teoria e a experiência finalmente unidas, a comunidade de pesquisa mais ampla está equipada com os meios para explorar texturas OAM em uma variedade de materiais e otimizar suas aplicações para a orbitrônica.