Universo eletrônico: Elétron visto como um universo abre caminho para novas tecnologias

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/05/2024

A descoberta revela a ciência quântica fundamental dos elétrons e abre caminho para o projeto de componentes spintrônicos inovadores.
[Imagem: Jiahao Han et al. - 10.1038/s41567-024-02476-2]

Universo eletrônico

Pesquisadores japoneses conseguiram finalmente desenvolver as teorias fundamentais e os experimentos necessários para manipular a geometria do chamado "universo eletrônico", uma abordagem que descreve a estrutura dos elétrons e seus estados quânticos de uma maneira matematicamente semelhante à descrição do Universo real inteiro.

A condução de eletricidade, que é crucial para todas as nossas tecnologias, segue a Lei de Ohm: Uma corrente elétrica responde proporcionalmente à tensão aplicada. Mas, para atender à demanda por novos dispositivos e componentes eletrônicos mais versáteis e mais eficientes, os cientistas tiveram que encontrar um meio de contornar esta lei e até ir além dela.

Eles encontraram os meios para isso na mecânica quântica: Uma geometria única, conhecida como métrica quântica, pode gerar uma condução não-ôhmica, ou seja, uma condução elétrica que não precisa obedecer precisamente à Lei de Ohm. Esta métrica quântica é uma propriedade inerente do próprio material onde o fenômeno ocorre, sugerindo que é uma característica fundamental do comportamento das partículas que compõem esse material.

Esquerda: Condução ôhmica convencional acompanhada por uma estrutura métrica quântica trivial. Centro: Movimento da luz em um forte campo gravitacional no Universo real. Direita: Condução não-ôhmica decorrente de uma estrutura métrica quântica não trivial do "universo eletrônico", que é ajustável magneticamente.
[Imagem: Jiahao Han et al. - 10.1038/s41567-024-02476-2]

Dois universos, mesma matemática

O termo "métrica quântica" foi inspirado no conceito de métrica da Relatividade Geral, que explica como a geometria do Universo se distorce sob a influência de forças gravitacionais intensas, como aquelas em torno dos buracos negros.

Da mesma forma, a busca pelo projeto de condução não-ôhmica dentro dos materiais torna imprescindível compreender a métrica quântica nesse contexto, de modo a tirar proveito dela.

Esta métrica delineia a geometria do "universo eletrônico", análogo ao Universo físico. Especificamente, o desafio reside na manipulação da estrutura métrica quântica dentro de um único dispositivo e no discernimento do seu impacto na condução elétrica - de quebra, é bom que tudo ocorra à temperatura ambiente, para que esses efeitos possam ter efeitos práticos de maior alcance.

Foi isto que fizeram agora Jiahao Han e colegas da Universidade Tohoku e da Agência de Energia Atômica do Japão.

Em um componente de barra Hall de Mn₃Sn/Pt sob um campo magnético H (esquerda), o efeito Hall de segunda ordem é obtido a partir do experimento e da modelagem teórica baseada na métrica quântica (direita).
[Imagem: Jiahao Han et al. - 10.1038/s41567-024-02476-2]

Componentes spintrônicos

A equipe conseguiu manipular, à temperatura ambiente, a estrutura quântica de uma heteroestrutura de filme fino formada por um ímã exótico (Mn₃Sn) e um metal, a platina (Pt). O Mn₃Sn apresenta uma textura magnética essencial quando é posto para fazer uma interface com a Pt, e essa textura magnética é fortemente afetada por um campo magnético externo, que pode então ser usado para controlá-la.

A equipe fez isso, medindo e controlando magneticamente uma condução não ôhmica, denominada efeito Hall de segunda ordem, onde a tensão responde ortogonal e quadraticamente à corrente elétrica aplicada. Por meio de modelagem teórica, eles confirmaram que as observações podem ser descritas exclusivamente pela métrica quântica.

"Nosso efeito Hall de segunda ordem surge da estrutura métrica quântica que se acopla com a textura magnética específica na interface Mn₃Sn/Pt. Portanto, podemos manipular com flexibilidade a métrica quântica modificando a estrutura magnética do material por meio de abordagens spintrônicas, e verificar essa manipulação no controle magnético do efeito Hall de segunda ordem," explicou Han.

Esta descoberta elucida um pouco mais a ciência quântica fundamental dos elétrons e abre caminho para o projeto de componentes spintrônicos inovadores utilizando essa condução não convencional da métrica quântica.

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