Trabalhando em dimensões em nanoescala, bilionésimos de tamanho, uma equipe de cientistas liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia revelou uma nova maneira de medir flutuações de alta velocidade em materiais magnéticos. Conhecimento obtido por essas novas medições, Publicado em Nano Cartaspoderia ser usado para promover tecnologias que variam da computação tradicional até o campo emergente da computação quântica.
Muitos materiais sofrem transições de fase caracterizadas por mudanças gradinhas dependentes da temperatura de propriedades fundamentais importantes. Compreender o comportamento dos materiais próximos a uma temperatura crítica de transição é a chave para o desenvolvimento de novas tecnologias que aproveitam as propriedades físicas únicas. Neste estudo, a equipe usou um sensor quântico em nanoescala para medir as flutuações de rotação perto de uma transição de fase em um filme fino magnético. Filmes finos com propriedades magnéticas à temperatura ambiente são essenciais para armazenamento de dados, sensores e dispositivos eletrônicos, porque suas propriedades magnéticas podem ser controladas e manipuladas com precisão.
A equipe usou um instrumento especializado chamado microscópio de varredura de nitrogênio-vacancas no Centro de Ciências dos Materiais de Nanofase, um escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE na ORNL. Um centro de nitrogênio-vacancia é um defeito em escala atômica em diamante, onde um átomo de nitrogênio toma o lugar de um átomo de carbono e um átomo de carbono vizinho está ausente, criando uma configuração especial de estados de rotação quântica. Em um microscópio central de nitrogênio-vacancia, o defeito reage a campos magnéticos estáticos e flutuantes, permitindo que os cientistas detectem sinais em um único nível de rotação para examinar estruturas em nanoescala.
“O centro de nitrogênio-vacancas funciona como um bit quântico, ou qubit e um sensor altamente sensível que nos movemos em cima do filme fino para medir mudanças dependentes da temperatura nas propriedades magnéticas e flutuações de rotação que não podem ser medidas de outra maneira”, disse o Ben Lawrie de Ornl, um cientista de pesquisa da Ciência da Ornl.
As flutuações de rotação são observadas quando as propriedades magnéticas de um materials governado pela orientação da rotação continuam mudando de direção em vez de permanecer fixo. A equipe mediu as flutuações de rotação à medida que o filme fino passou por uma transição de fase entre diferentes estados magnéticos que foram induzidos alterando a temperatura da amostra.
Essas medidas revelaram como as mudanças locais nas flutuações de rotação são ligadas globalmente nas transições de fase. Esse entendimento em nanoescala de rotações em interação pode levar a novas tecnologias de processamento de informações baseadas em spin e insights mais profundos sobre grandes lessons de materiais quânticos.
“Os avanços nos spoltronics melhorarão a eficiência de armazenamento digital e computação. Enquanto isso, a computação quântica baseada em rotação oferece a promessa tentadora de simulação classicamente inacessível se pudermos aprender a controlar as interações entre giros e seu ambiente”, disse Lawrie.
Esse tipo de pesquisa ponta as capacidades da ORNL em informações quânticas e física da matéria condensada. “Se pudermos usar a geração de recursos quânticos de hoje para obter um novo entendimento dos estados clássicos e quânticos nos materiais, que nos ajudarão a projetar novos dispositivos quânticos com aplicações em redes, detecção e computação”, disse Lawrie.
O Programa de Ciências da Energia Básica do DOE financiou esta pesquisa.
