Neutronic Field-Effect Transistor

No mundo da eletrônica moderna, a capacidade de controlar o fluxo de informação é o fundamento de tudo, desde smartphones até supercomputadores. Esse controle é geralmente alcançado através do gerenciamento do movimento da carga elétrica, mas um campo de estudo paralelo conhecido como espintrônica explora uma propriedade diferente: o spin intrínseco das partículas. Imagine uma pequena agulha de bússola interna acoplada a cada elétron; na espintrônica, os cientistas tentam usar a direção dessa agulha — apontando para cima ou para baixo — para representar dados, em vez de apenas a presença ou ausência de eletricidade. Embora pesquisadores busquem há muito tempo construir dispositivos que alternem essas direções de spin ligando-as e desligando-as usando campos elétricos, de forma semelhante a um interruptor de luz padrão, os materiais usados para os elétrons frequentemente lutam contra ruídos e imperfeições que embaralham a delicada informação de spin. Isso levou os físicos a procurar ambientes mais limpos e isolados, onde os efeitos quânticos possam ser aproveitados com maior precisão, recorrendo a partículas que não carregam carga elétrica de forma alguma.

Uma equipe de pesquisadores demonstrou agora uma versão funcional de um interruptor baseado em spin usando nêutrons, as partículas neutras encontradas no coração dos átomos. Publicado em um estudo recente, este trabalho introduz um dispositivo chamado transistor de efeito de campo neutrônico. Diferente de seus primos eletrônicos que dependem do fluxo de carga, este novo dispositivo usa um feixe de nêutrons e um aparato de cristal especializado para manipular a direção de seu spin interno. Os pesquisadores construíram uma máquina que atua como um interferômetro de cristal perfeito, uma estrutura que divide um feixe de nêutrons em dois caminhos separados e depois os traz de volta para se unirem. Ao ajustar cuidadosamente as condições ao longo de um desses caminhos, eles podem alterar o spin dos nêutrons sem alterar sua velocidade ou energia. Quando os dois caminhos se recombinam, os nêutrons interferem uns com os outros de uma forma que permite aos pesquisadores controlar a direção final do spin do feixe, efetivamente operando um interruptor que seleciona entre diferentes estados de spin.

O experimento ocorreu em uma instalação dedicada à pesquisa de nêutrons, onde um feixe de nêutrons com um comprimento de onda específico foi direcionado para um dispositivo esculpido a partir de um único cristal de alta pureza de silício. Este cristal foi moldado em três lâminas finas que funcionam como os espelhos e divisores de feixe de um interferômetro óptico padrão, mas para ondas de matéria em vez de luz. Os nêutrons de entrada eram não polarizados, o que significa que suas agulhas de bússola internas apontavam em direções aleatórias. Conforme o feixe entrava no cristal, ele era dividido em dois caminhos distintos. Em um desses camhos, os pesquisadores colocaram uma película muito fina de um material magnético chamado permalloy. Ao rotacionar essa película, eles podiam alterar a força do campo magnético que os nêutrons experimentavam, o que, por sua vez, alterava a orientação dos spins dos nêutrons enquanto viajavam por aquele caminho específico.

Para completar o mecanismo de controle, a equipe também introduziu um deslocamento de fase, que é um atraso sutil na natureza ondulatória dos nêutrons, inserindo uma placa de quartzo no caminho. Esse deslocamento de fase atuou como um segundo controle, trabalhando em conjunto com a película magnética. Quando os dois caminhos de nêutrons eram recombinados pela terceira lâmina de cristal, a interferência entre eles determinava o estado final do feixe. Os pesquisadores descobriram que, ao ajustar a rotação magnética e o atraso de fase, podiam ajustar continuamente a polarização do feixe de saída. Em termos simples, eles podiam fazer com que os nêutrons emergissem com seus spins apontando majoritariamente para cima, majoritariamente para baixo ou em qualquer lugar entre esses dois pontos, tudo partindo de uma entrada completamente aleatória.

Os resultados do experimento foram precisos e mensuráveis. A equipe alcançou uma polarização máxima de 77 por cento, o que significa que, na melhor configuração, quase quatro em cada cinco nêutrons no feixe de saída tinham seus spins alinhados na direção desejada. Este nível de controle foi limitado apenas pela qualidade inerente do interferômetro de cristal, que apresentou um contraste de 83 por cento, indicando que o dispositivo desempenhou tão bem quanto os materiais físicos permitiam. O estudo confirma que o dispositivo funciona exatamente como um transistor deve funcionar: a entrada é um fluxo constante de nêutrons, os controles do "gate" (porta) são os ajustes magnéticos e de fase, e a saída é um feixe cujas propriedades são ditadas por esses controles. Esta demonstração bem-sucedida prova que os nêutrons podem ser usados para criar dispositivos espintrônicos que são análogos aos interruptores baseados em elétrons propostos décadas atrás, mas com a vantagem de operar em um ambiente muito mais silencioso e com menos ruído.

Além do sucesso imediato na construção do interruptor, o dispositivo oferece uma nova maneira de medir o spin de nêutrons individuais. Como o feixe é muito esparso, com tipicamente menos de um nêutron dentro do interferômetro em qualquer momento dado, os pesquisadores podem observar o comportamento de partículas únicas. Quando os controles são ajustados para favorecer um estado de spin, a detecção de um nêutron no caminho de saída fornece uma medição direta e de disparo único de seu spin. Essa capacidade abre as portas para novos tipos de medições quânticas e pode eventualmente apoiar o desenvolvimento de portas lógicas quânticas, que são os blocos de construção para futuros computadores quânticos. O trabalho não pretende substituir os transistores eletrônicos nos computadores do cotidiano, mas sim estabelecer uma plataforma limpa para testar conceitos quânticos fundamentais e explorar como as ondas de matéria podem ser manipuladas com a mesma precisão que a luz. Ao mostrar que um feixe de partícula neutra pode ser alternado e controlado com tal exatidão, os pesquisadores forneceram uma poderosa nova ferramenta para investigar a natureza quântica do universo.