Os cientistas usaram pulsos elétricos para manipular informações magnéticas em um sinal de luz polarizado, uma descoberta que poderia revolucionar as telecomunicações ópticas de longa distância, inclusive entre a Terra e Marte.
A descoberta, descrita em um estudo publicado em Natureza, envolve a área da spintrônica, que visa manipular o spin dos elétrons para armazenar e processar informações.
Os pesquisadores aplicaram um pulso elétrico para transferir essa informação de spin dos elétrons para os fótons, as partículas que constituem a luz, permitindo que a informação fosse transportada por grandes distâncias em grande velocidade. Seu método atende a três critérios cruciais – operação em temperatura ambiente, sem necessidade de campo magnético e capacidade de controle elétrico – e abre a porta para uma variedade de aplicações, incluindo comunicação ultrarrápida e tecnologias quânticas.
“Durante décadas sonhamos e previmos dispositivos spintrônicos à temperatura ambiente além da magnetorresistência e apenas armazenando informações. Com a descoberta desta equipa, os nossos sonhos tornam-se realidade”, afirma o co-autor do estudo, Igor Žutić, distinto professor de física da SUNY na Universidade de Buffalo.
O estudo foi liderado pelo Instituto Jean Lamour, uma unidade conjunta do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França (CNRS) e da Universidade de Lorraine. Outros colaboradores representam universidades e institutos na França, Alemanha, Japão, China e Estados Unidos.
Dispositivos Spintronic podem substituir a eletrônica convencional
Na spintrônica, que tem sido usada com sucesso em discos rígidos magnéticos de computadores, a informação é representada pelo spin do elétron e, por seu proxy, pela direção da magnetização.
Ferromagnetos, como ferro ou cobalto, têm um número desigual de elétrons cujos spins são orientados ao longo ou contra o eixo de magnetização. Elétrons com spin ao longo da magnetização viajam suavemente através de um ferromagneto, enquanto aqueles com orientação de spin oposta são rebatidos. Isso representa informações binárias, 0 e 1.
A mudança resultante na resistência é o princípio chave para dispositivos spintrônicos, cujo estado magnético, que pode ser considerado como informação armazenada, é mantido indefinidamente. Assim como um imã de geladeira não precisa de energia para permanecer preso à porta, os dispositivos spintrônicos exigiriam muito menos energia do que os eletrônicos convencionais.
No entanto, semelhante a tirar um peixe da água, a informação de spin é rapidamente perdida e não pode viajar muito quando os elétrons são retirados do ferromagneto. Esta grande limitação pode ser superada utilizando a luz através de sua polarização circular, também conhecida como helicidade, como outro portador de spin.
Assim como os humanos, séculos atrás, usavam pombos-correio para transportar a comunicação escrita mais longe e mais rápido do que seria possível fazer a pé, o truque seria transferir o spin dos elétrons para as fotos, o quantum de luz.
Spin-LEDs atendem a três critérios
A presença do acoplamento spin-órbita, que também é responsável pela perda de informação de spin fora do ferromagneto, torna possível tal transferência. O elo perdido crucial é então modular eletricamente a magnetização e, assim, alterar a helicidade da luz emitida.
“O conceito de spin-LEDs foi proposto inicialmente no final do século passado. No entanto, para a transição para uma aplicação prática, deve atender a três critérios cruciais: operação à temperatura ambiente, sem necessidade de campo magnético e capacidade de controle elétrico”, afirma o autor correspondente do estudo, Yuan Lu, pesquisador sênior do CNRS no Instituto Jean Lamour.
“Após mais de 15 anos de trabalho dedicado nesta área, nossa equipe colaborativa superou com sucesso todos os obstáculos.”
Os pesquisadores trocaram com sucesso a magnetização de um injetor de spin por um pulso elétrico usando o torque spin-órbita. O spin do elétron é rapidamente convertido em informação contida na helicidade dos fótons emitidos, permitindo uma integração perfeita da dinâmica de magnetização com tecnologias fotônicas.
Esta conversão spin-fóton controlada eletricamente é agora alcançada na eletroluminescência de diodos emissores de luz. No futuro, através da implementação em Semicondutor Com diodos laser, os chamados spin-lasers, esta codificação de informação altamente eficiente poderia abrir caminho para uma comunicação rápida em distâncias interplanetárias, uma vez que a polarização da luz pode ser conservada na propagação espacial, tornando-a potencialmente o modo mais rápido de comunicação entre a Terra e Marte.
Também beneficiará enormemente o desenvolvimento de várias tecnologias avançadas na Terra, como a comunicação e computação óptica quântica, a computação neuromórfica para inteligência artificial, transmissores ópticos ultrarrápidos e altamente eficientes para centros de dados ou aplicações de Light-Fidelity (LiFi).
“A realização de injetores de spin spin-órbita-torque é um passo decisivo que avançará enormemente no desenvolvimento de spin-lasers ultrarrápidos e energeticamente eficientes para a próxima geração de comunicação óptica e tecnologias quânticas”, diz o co-autor Nils Gerhardt, professor na Cátedra de Fotônica e Terahertz Equipar na Universidade do Ruhr em Bochum.