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Dois bits de informação - em um átomo

09.09.2020

Os cientistas holandeses conseguiram criar um sistema de um átomo de ferro em um substrato, no qual é possível controlar o momento orbital de um átomo e a excitação de seus estados de spin independentemente um do outro.

Para controlar o sistema, os pesquisadores usaram a ponta de um microscópio de tunelamento de varredura, que, ao interagir com um átomo, reverteu seu momento orbital sem excitação dos estados de spin. Sob tais condições, o átomo tem dois graus de liberdade associados a um campo magnético, que no futuro pode ser usado para criar sistemas de armazenamento de informação particularmente espaçosos com uma densidade de gravação de dois bits por átomo.

Reduzir o tamanho de um único bit à escala de um átomo tornaria possível encaixar grandes quantidades de dados em mídias extremamente pequenas. Potencialmente, tais sistemas podem ser criados usando spins de átomos individuais controlados por um campo magnético S - somas vetoriais de seus próprios momentos angulares de partículas elementares incluídas em sua composição. São os estados de spin que são escolhidos como bits em tais sistemas, porque o momento orbital de cada átomo L (seu momento angular como um todo) em amostras reais é suprimido devido à combinação da interação spin-órbita e do campo cristalino.

Mas mesmo no caso em que L de um átomo em tal sistema não é igual a zero, a interação spin-órbita leva ao acoplamento de L e S em uma superposição, na qual apenas o momento angular total do sistema L + S é preservado, e excitações independentes de L e S são impossíveis. Para armazenar informações no estado orbital de um átomo, por sua vez, você precisa ser capaz de armazenar L e controlá-lo sem afetar os estados de spin. Então os estados de spin e orbital podem desempenhar o papel de zeros e uns, e o próprio átomo poderia atuar como um portador de informação na quantidade de dois bits, cada um dos quais correspondendo a um grau de liberdade do sistema (um bit por spin e momento orbital).

Esse sistema de um átomo, no qual é possível excitar independentemente estados de rotação e orbitais, foi criado por Rasa Rejali, da Universidade de Tecnologia de Delft. Para fazer isso, o físico e seus colegas colocaram um único átomo de ferro sobre um átomo de nitrogênio magneticamente neutro em um substrato de Cu2N, obtendo assim um sistema com momento orbital e spin praticamente livres. A agulha de um microscópio eletrônico de varredura permitiu que os físicos estudassem o átomo e o manipulassem.

O método proposto para alterar independentemente os estados orbital e de spin de um único átomo ainda está longe de ser implementado na prática. No entanto, a semelhança da natureza do spin e dos estados orbitais dá esperança de que no futuro o momento orbital dos átomos possa ser controlado tão simplesmente quanto é agora - spins. Nesse caso, os portadores de informação podem se tornar bastante reais, em que cada átomo atuará não como um, mas dois bits, o que aumentará ainda mais a densidade máxima potencial de gravação de dados.

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