Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte e da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill usaram fônons quirais para converter o calor desperdiçado em informações de spin – sem a necessidade de materiais magnéticos. A descoberta pode levar a novas classes de dispositivos spintrônicos menos caros e energeticamente eficientes para uso em aplicações que variam de memória computacional a redes elétricas.
Dispositivos spintrônicos são dispositivos eletrônicos que aproveitam o giro de um elétron, em vez de sua carga, para criar corrente usada para armazenamento de dados, comunicação e computação. Dispositivos caloritrônicos de rotação – assim chamados porque utilizam energia térmica para criar corrente de rotação – são promissores porque podem converter calor residual em informações de rotação, o que os torna extremamente eficientes em termos energéticos. No entanto, os dispositivos caloritrônicos de spin atuais devem conter materiais magnéticos para criar e controlar o spin do elétron.
“Usamos fônons quirais para criar uma corrente de rotação à temperatura ambiente sem a necessidade de materiais magnéticos”, diz Dali Sun, professor associado de física e membro do Laboratório de Eletrônica Orgânica e de Carbono (ORaCEL) da North Carolina State University.
“Ao aplicar um gradiente térmico a um material que contém fônons quirais, você pode direcionar seu momento angular e criar e controlar a corrente de rotação”. diz Jun Liu, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na NC State e membro da ORaCEL.
Ambos Liu e Sun são co-autores correspondentes da pesquisa, que aparece em Materiais da Natureza.
Fônons quirais são grupos de átomos que se movem em uma direção circular quando excitados por uma fonte de energia – neste caso, o calor. À medida que os fônons se movem através de um material, eles propagam esse movimento circular, ou momento angular, através dele. O momento angular serve como fonte de spin, e a quiralidade dita a direção do spin.
“Materiais quirais são materiais que não podem ser sobrepostos em sua imagem no espelho”, diz Sun. “Pense em suas mãos direita e esquerda – elas são quirais. Você não pode colocar uma luva canhota na mão direita, ou vice-versa. Essa ‘manipulação’ é o que nos permite controlar a direção do giro, o que é importante se você quiser usar esses dispositivos para armazenamento de memória.”
Os pesquisadores demonstraram correntes de spin geradas por fônons quirais em uma perovskita orgânica-inorgânica híbrida em camadas bidimensionais, usando um gradiente térmico para introduzir calor no sistema.
“Um gradiente é necessário porque a diferença de temperatura no material – de quente para frio – impulsiona o movimento dos fônons quirais através dele”, diz Liu. “O gradiente térmico também nos permite usar o calor residual capturado para gerar corrente de rotação”.
Os pesquisadores esperam que o trabalho leve a dispositivos spintrônicos que sejam mais baratos de produzir e possam ser usados em uma ampla variedade de aplicações.
“Eliminar a necessidade de magnetismo nesses dispositivos significa que você está abrindo a porta em termos de acesso a materiais potenciais”, diz Liu. “E isso também significa maior custo-benefício.”
“Usar calor residual em vez de sinais elétricos para gerar corrente de rotação torna o sistema energeticamente eficiente – e os dispositivos podem operar em temperatura ambiente”, diz Sun. “Isso pode levar a uma variedade muito maior de dispositivos spintrônicos do que os disponíveis atualmente”.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA. Wei You, professor de química na Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill e membro da ORaCEL, também é co-autor correspondente do estudo.
Com informações de Science Daily.
