Cientistas transformaram um desafio de longa data na eletrônica — defeitos nos materiais — em uma solução aprimorada quânticamente, abrindo caminho para dispositivos spintrônicos ultra-baixo consumo de energia de nova geração.
Spintrônica, abreviação de “eletrônica de spin”, é um campo da tecnologia que busca superar os limites da eletrônica convencional. Dispositivos tradicionais dependem apenas da carga elétrica dos elétrons para armazenar e processar informações. A spintrônica aproveita duas propriedades quânticas adicionais: momento angular de spin, que pode ser imaginado como uma orientação “para cima” ou “para baixo” do elétron, e momento angular orbital, que descreve como os elétrons se movem ao redor dos núcleos atômicos. Ao utilizar esses graus de liberdade extras, os dispositivos spintrônicos conseguem armazenar mais dados em espaços menores, operar mais rapidamente, consumir menos energia e reter informações mesmo quando a energia é desligada.
Um desafio de longa data na spintrônica tem sido o papel dos defeitos nos materiais. A introdução de imperfeições em um material pode, às vezes, facilitar a “gravação” de dados em bits de memória ao reduzir a corrente necessária, mas isso geralmente ocorre com um custo: a resistência elétrica aumenta, a condutividade de Hall de spin diminui e o consumo geral de energia aumenta. Esse trade-off tem sido um grande obstáculo para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos ultra-baixo consumo.
Agora, o Grupo de Materiais e Dispositivos Magnético-Eletrônicos Flexíveis do Instituto de Tecnologia e Engenharia de Materiais de Ningbo (NIMTE) da Academia Chinesa de Ciências encontrou uma maneira de transformar esse problema em uma vantagem. Seu estudo, publicado na Nature Materials, focou no efeito Hall orbital em rutenato de estrôncio (SrRuO3), um óxido de metal de transição cujas propriedades podem ser ajustadas com precisão. Esse fenômeno quântico faz com que os elétrons se movam de uma forma determinada por seu momento angular orbital.
Utilizando dispositivos projetados sob medida e técnicas de medição de precisão, os pesquisadores descobriram uma lei de escalonamento não convencional que alcança um resultado de “duas aves com uma pedra”: a engenharia de defeitos simultaneamente aumenta tanto a condutividade de Hall orbital quanto o ângulo de Hall orbital, em contraste nítido com sistemas baseados em spin convencionais.
Para explicar essa descoberta, a equipe a vinculou ao mecanismo de relaxação orbital semelhante ao de Dyakonov-Perel. “Processos de dispersão que normalmente degradam o desempenho, na verdade, estendem a vida útil do momento angular orbital, aprimorando assim a corrente orbital,” disse o Dr. Xuan Zheng, co-primeiro autor do estudo.
“Este trabalho essencialmente reescreve as regras para o design desses dispositivos,” disse o Prof. Zhiming Wang, autor correspondente do estudo. “Em vez de lutar contra imperfeições materiais, agora podemos explorá-las.”
Medições experimentais confirmam o potencial da tecnologia: a modulação de condutividade ajustada resultou em uma melhoria de três vezes na eficiência de energia de comutação.
Este estudo fornece não apenas novos insights sobre a física do transporte orbital, mas também redefine estratégias de design para spintrônica energeticamente eficiente.
Este estudo recebeu apoio do Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Chinesa, da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e de outros órgãos de fomento.
