A moda está mudando no mundo de vanguarda dos materiais de componentes de computador da próxima geração. Semicondutores tradicionais como o silício estão lançando suas últimas novas linhas. Materiais exóticos chamados isoladores topológicos (TIs) estão chegando. E quando se trata de resfriamento, o nitrogênio é o novo hélio.

Isso foi claramente mostrado em um novo experimento no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) que foi realizado por uma colaboração multi-institucional, incluindo a UCLA, NIST e o Instituto de Tecnologia de Pequim na China.

Isoladores topológicos são uma nova classe de materiais que foram descobertos há menos de uma década, após trabalhos teóricos anteriores, reconhecido no Prêmio Nobel de Física 2016, previu que eles poderiam existir. Os materiais são isolantes elétricos no interior e conduzem eletricidade na superfície externa. Eles são empolgantes para os designers de computador porque a corrente elétrica viaja ao longo deles sem liberar calor, o que significa que os componentes feitos a partir deles podem reduzir a alta produção de calor que assola os computadores modernos. Eles também podem ser aproveitados um dia em computadores quânticos, que exploraria propriedades menos familiares dos elétrons, como seu giro, fazer cálculos de maneiras totalmente novas. Quando TIs conduzem eletricidade, todos os elétrons fluindo em uma direção têm o mesmo spin, uma propriedade útil que os projetistas de computadores quânticos poderiam aproveitar.

As propriedades especiais que tornam os TIs tão interessantes para os tecnólogos são geralmente observadas apenas em temperaturas muito baixas, normalmente requer hélio líquido para resfriar os materiais. Não só essa demanda por frio extremo torna improvável que os TIs encontrem uso na eletrônica até que esse problema seja superado, mas também torna difícil estudá-los em primeiro lugar.

Além disso, tornar os TIs magnéticos é a chave para desenvolver novos dispositivos de computação empolgantes com eles. Mas mesmo levá-los ao ponto em que possam ser magnetizados é um processo trabalhoso. Duas maneiras de fazer isso são infundir, ou "droga, "o TI com uma pequena quantidade de metal magnético e / ou para empilhar camadas finas de TI entre camadas alternadas de um material magnético conhecido como ferromagneto. aumentar o doping para aumentar a temperatura perturba as propriedades de TI, enquanto o magnetismo mais poderoso das camadas alternadas pode sobrecarregar os TIs, tornando-os difíceis de estudar.

Para contornar esses problemas, Os cientistas da UCLA experimentaram uma substância diferente para as camadas alternadas:um antiferroímã. Ao contrário dos ímãs permanentes em sua geladeira, cujos átomos têm pólos norte que apontam na mesma direção, os materiais antiferromagnéticos multicamadas (AFM) tinham pólos norte apontando em uma direção em uma camada, e o caminho oposto na próxima camada. Como o magnetismo dessas camadas se anula, o AFM geral não tem magnetismo líquido - mas uma única camada de suas moléculas tem. Era a camada mais externa do AFM que a equipe da UCLA esperava explorar.

Felizmente, eles descobriram que a influência da camada mais externa magnetiza o TI, mas sem a força esmagadora que os materiais magnéticos usados ​​anteriormente trariam. E eles descobriram que a nova abordagem permitiu que os TIs se tornassem magnéticos e demonstrassem todas as características atraentes da TI em temperaturas muito acima de 77 Kelvin - ainda muito frias para uso como componentes eletrônicos de consumo, mas quente o suficiente para que os cientistas possam usar nitrogênio para resfriá-los.

"Isso os torna muito mais fáceis de estudar, "diz Alex Grutter, do NIST Center for Neutron Research, que fez parceria com os cientistas da UCLA para esclarecer as interações entre as camadas gerais do material, bem como sua estrutura de spin.

"Não só podemos explorar as propriedades de TIs mais facilmente, mas estamos animados porque para um físico, encontrar uma maneira de aumentar a temperatura operacional sugere dramaticamente que pode haver outras maneiras acessíveis de aumentá-la novamente. De repente, TIs em temperatura ambiente não parecem tão fora de alcance. "