Pesquisadores da ETH Zurique mostraram que os estados quânticos dos spins de um único elétron podem ser controlados por correntes de elétrons cujos spins estão uniformemente alinhados. No futuro, este método poderá ser utilizado em elementos de circuitos eletrônicos.
Os elétrons têm um momento angular intrínseco, o chamado spin, o que significa que eles podem se alinhar ao longo de um campo magnético, como a agulha de uma bússola. Além da carga elétrica dos elétrons, que determina seu comportamento nos circuitos eletrônicos, seu spin é cada vez mais utilizado para armazenamento e processamento de dados. Já agora, é possível comprar elementos de memória MRAM (memórias magnéticas de acesso aleatório), nos quais as informações são armazenadas em ímãs muito pequenos, mas ainda clássicos – ou seja, contendo muitos spins de elétrons. Os MRAM são baseados em correntes de elétrons com spins alinhados em paralelo que podem alterar a magnetização em um determinado ponto de um material.
Pietro Gambardella e seus colaboradores da ETH Zurique mostram agora que tais correntes polarizadas por spin também podem ser usadas para controlar os estados quânticos de spins de um único elétron. Seus resultados, que acabam de ser publicados na revista científica Science, poderão ser utilizados em diferentes tecnologias no futuro, por exemplo no controle de estados quânticos de bits quânticos (qubits).
Correntes de túnel em moléculas individuais
“Tradicionalmente, os spins dos eletrões são manipulados através de campos eletromagnéticos, como ondas de radiofrequência ou microondas”, diz Sebastian Stepanow, cientista sénior do laboratório de Gambardella. Esta técnica, também conhecida como ressonância paramagnética eletrônica, foi desenvolvida já em meados da década de 1940 e desde então tem sido utilizada em diversas áreas, como pesquisa de materiais, química e biofísica. “Há alguns anos, foi demonstrado que é possível induzir ressonância paramagnética electrónica em átomos individuais; no entanto, até agora o mecanismo exacto para isto não é claro”, diz Stepanow.
Para estudar mais de perto os processos da mecânica quântica por trás desse mecanismo, os pesquisadores prepararam moléculas de pentaceno (um hidrocarboneto aromático) sobre um substrato de prata. Uma fina camada isolante de óxido de magnésio foi previamente depositada sobre o substrato. Esta camada garante que os elétrons na molécula se comportem mais ou menos como fariam no espaço livre.
Usando um microscópio de varredura por tunelamento, os pesquisadores primeiro caracterizaram as nuvens de elétrons na molécula. Isso implica medir a corrente criada quando os elétrons fazem um túnel mecanicamente quântico da ponta de uma agulha de tungstênio até a molécula. De acordo com as leis da física clássica, os elétrons não deveriam ser capazes de atravessar o espaço entre a ponta da agulha e a molécula porque lhes falta a energia necessária. A mecânica quântica, entretanto, permite que os elétrons façam um “túnel” através da lacuna, apesar dessa falta, o que leva a uma corrente mensurável.
Ímã em miniatura na ponta de uma agulha
Esta corrente de túnel pode ser polarizada por spin usando primeiro a ponta de tungstênio para captar alguns átomos de ferro, que também estão na camada isolante. Na ponta, os átomos de ferro criam uma espécie de ímã em miniatura. Quando uma corrente de túnel flui através deste ímã, os spins dos elétrons na corrente se alinham paralelamente à sua magnetização.
Agora, os pesquisadores aplicaram uma voltagem constante, bem como uma voltagem de oscilação rápida, à ponta de tungstênio magnetizada, e mediram a corrente do túnel resultante. Variando a intensidade de ambas as tensões e a frequência da tensão oscilante, eles conseguiram observar ressonâncias características na corrente do túnel. A forma exata dessas ressonâncias permitiu tirar conclusões sobre os processos que ocorreram entre os elétrons de tunelamento e os da molécula.
Controle direto de rotação por correntes polarizadas
A partir dos dados, Stepanow e seus colegas conseguiram extrair dois insights. Por um lado, os spins do elétron na molécula de pentaceno reagiram ao campo eletromagnético criado pela tensão alternada da mesma forma que na ressonância paramagnética eletrônica comum. Por outro lado, o formato das ressonâncias sugeria que havia um processo adicional que também influenciava os spins dos elétrons na molécula.
“Esse processo é o chamado torque de transferência de spin, para o qual a molécula de pentaceno é um sistema modelo ideal”, diz o candidato ao doutorado Stepan Kovarik. O torque de transferência de spin é um efeito no qual o spin da molécula é alterado sob a influência de uma corrente polarizada por spin sem a ação direta de um campo eletromagnético. Os pesquisadores demonstraram que também é possível criar estados de superposição da mecânica quântica do spin molecular dessa forma. Tais estados de superposição são usados, por exemplo, em tecnologias quânticas.
“Este controle de spin por correntes polarizadas de spin em nível quântico abre várias aplicações possíveis”, diz Kovarik. Em contraste com os campos eletromagnéticos, as correntes polarizadas por spin agem muito localmente e podem ser direcionadas com uma precisão inferior a um nanômetro. Essas correntes poderiam ser usadas para endereçar elementos de circuitos eletrônicos em dispositivos quânticos com muita precisão e, assim, por exemplo, controlar os estados quânticos de qubits magnéticos.
Referência
Kovarik S, Schlitz R, Vishwakarma A, Ruckert D, Gambardella P, Stepanow S: Ressonância paramagnética eletrônica acionada por torque de spin de um único spin em uma molécula de pentaceno. Ciência, 2024, adh4753
Oliver Morsch