Monopólos de momento angular orbital têm sido objeto de grande interesse teórico, pois oferecem grandes vantagens práticas para o campo emergente da orbitrônica, uma potencial alternativa de eficiência energética à eletrônica tradicional. Agora, por meio de uma combinação de teoria robusta e experimentos no Swiss Light Source SLS no Paul Scherrer Institute PSI, sua existência foi demonstrada. A descoberta foi publicada no periódico Nature Physics .

Enquanto a eletrônica usa a carga do elétron para transferir informações, a tecnologia do futuro com menos impacto ambiental pode usar uma propriedade diferente dos elétrons para processar informações. Até recentemente, o principal concorrente para um tipo diferente de "trônica" era a spintrônica. Aqui, a propriedade usada para transferir informações é o spin do elétron.

Pesquisadores também estão explorando a possibilidade de usar o momento angular orbital (OAM) de elétrons orbitando seu núcleo atômico: um campo emergente conhecido como orbitrônica. Este campo é muito promissor para dispositivos de memória, particularmente porque uma grande magnetização poderia ser potencialmente gerada com correntes de carga relativamente pequenas, levando a dispositivos energeticamente eficientes. A pergunta de um milhão de dólares agora é identificar os materiais certos para gerar fluxos de OAMs, um pré-requisito para a orbitrônica.

Agora, uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas do Instituto Paul Scherrer (PSI) e dos Institutos Max Planck em Halle e Dresden, na Alemanha, mostrou que semimetais topológicos quirais , uma nova classe de materiais descoberta no PSI em 2019, possuem propriedades que os tornam uma escolha altamente prática para gerar correntes de OAMs.

Na busca por materiais adequados para a orbitrônica, passos à frente já foram dados usando materiais convencionais como o titânio. No entanto, desde sua descoberta há cinco anos, semimetais topológicos quirais se tornaram um concorrente intrigante. Esses materiais possuem uma estrutura atômica helicoidal, que dá uma "lateralidade" natural como a dupla hélice do DNA e poderia naturalmente dotá-los de padrões ou texturas de OAM que permitem seu fluxo.

"Isso oferece uma vantagem significativa para outros materiais porque você não precisa aplicar estímulos externos para obter texturas OAM — elas são uma propriedade intrínseca do material", explica Michael Schüler, líder do grupo no Centro de Computação Científica, Teoria e Dados do PSI, e professor assistente de física na Universidade de Friburgo, que coliderou o estudo recente. "Isso pode facilitar a criação de correntes estáveis e eficientes de OAM sem a necessidade de condições especiais."

A perspectiva atraente, mas ilusória, dos monopolos de momento angular orbital

Há uma textura OAM em particular, hipotetizada em semimetais topológicos quirais, que cativou pesquisadores: monopolos OAM. Nesses monopolos, OAM irradia para fora de um ponto central como os espinhos de um ouriço assustado enrolado em uma bola.

O motivo pelo qual esses monopolos são tão tentadores é que OAM é uniforme em todas as direções: ou seja, é isotrópico. "Essa é uma propriedade muito útil, pois significa que fluxos de OAMs podem ser gerados em qualquer direção", diz Schüler.

No entanto, apesar da atração dos monopolos OAM para a orbitrônica, até este último estudo, eles permaneceram um sonho teórico.

Para observá-los experimentalmente, a esperança está em uma técnica conhecida como Dicroísmo Circular em Espectroscopia de Fotoemissão de Ângulo Resolvido, ou CD-ARPES, usando raios X polarizados circularmente de uma fonte de luz síncrotron. No entanto, uma lacuna entre a teoria e o experimento impediu no passado os pesquisadores de interpretar os dados. "Os pesquisadores podem ter tido os dados, mas a evidência para os monopolos OAM estava enterrada neles", diz Schüler.

Em ARPES, a luz brilha em um material, ejetando elétrons. Os ângulos e energias desses elétrons ejetados revelam informações sobre a estrutura eletrônica do material. Em CD-ARPES, a luz incidente é polarizada circularmente.

"Uma suposição natural é que se você usar luz polarizada circularmente, você está medindo algo que é diretamente proporcional aos OAMs", explica Schüler. "O problema é que, como mostramos em nosso estudo, isso acaba sendo uma suposição um tanto ingênua. Na realidade, é bem mais complexo."

Em seu estudo, Schüler e colegas examinaram dois tipos de semimetais topológicos quirais no Swiss Light Source SLS: aqueles feitos de paládio e gálio ou platina e gálio. Determinados a revelar as texturas OAM escondidas dentro da complexa rede de dados CD-ARPES, a equipe desafiou todas as suposições com uma teoria rigorosa.

Então eles deram um passo experimental extra incomum e crucial de variar as energias dos fótons. "No começo, os dados não faziam sentido. O sinal parecia estar mudando por todo o lugar", diz Schüler.

Meticulosamente destrinchando como diferentes contribuições complicavam os cálculos de OAM a partir de dados de CD-ARPES, eles revelaram que o sinal de CD-ARPES não era diretamente proporcional aos OAMs, como se acreditava anteriormente, mas girava em torno dos monopolos conforme a energia do fóton era alterada. Dessa forma, eles preencheram a lacuna entre teoria e experimento e provaram a presença de monopolos de OAM.

Armados com a habilidade de visualizar com precisão monopolos de OAM, Schüler e colegas passaram a mostrar que a polaridade do monopolo — se os picos de OAMs apontam para dentro ou para fora — poderia ser revertida usando um cristal com uma quiralidade de imagem espelhada. "Esta é uma propriedade muito útil, pois dispositivos orbitrônicos poderiam potencialmente ser criados com direcionalidade diferente", diz Schüler.

Agora, com a teoria e a experiência finalmente unidas, a comunidade de pesquisa mais ampla está equipada com os meios para explorar texturas OAM em uma variedade de materiais e otimizar suas aplicações para orbitrônica.