No mundo da eletrônica, onde a busca é sempre por unidades menores e mais rápidas com vida infinita da bateria, isoladores topológicos (TI) têm potencial tentador.

Em artigo a ser publicado em Avanços da Ciência em junho, Jing Shi, professor de física e astronomia da Universidade da Califórnia, Riverside, e colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade do Estado do Arizona relatam que criaram um filme de TI com apenas 25 átomos de espessura que adere a um filme magnético isolante, criando uma "heteroestrutura". Esta heteroestrutura torna as superfícies de TI magnéticas em temperaturas ambientes e superiores, acima de 400 Kelvin ou mais de 720 graus Fahrenheit.

As superfícies de TI têm apenas alguns átomos de espessura e precisam de pouca energia para conduzir eletricidade. Se as superfícies TI forem feitas magnéticas, a corrente flui apenas ao longo das bordas dos dispositivos, exigindo ainda menos energia. Graças a este chamado efeito Hall anômalo quântico, ou QAHE, um dispositivo de TI pode ser minúsculo e suas baterias duram muito, Shi disse.

Os engenheiros adoram o QAHE porque torna os dispositivos muito robustos, isso é, forte o suficiente para enfrentar defeitos ou erros, para que um aplicativo com defeito, por exemplo, não trava um sistema operacional inteiro.

Isoladores topológicos são os únicos materiais agora que podem alcançar o cobiçado QAHE, mas só depois de serem magnetizados, e é aí que está o problema:as superfícies TI não são naturalmente magnéticas.

Os cientistas foram capazes de atingir magnetismo em TI por dopagem, ou seja, a introdução de impurezas magnéticas no material, o que também o tornou menos estável, Shi disse. A dopagem permitiu que as superfícies de TI demonstrassem QAHE, mas apenas em temperaturas extremamente baixas - alguns centésimos de grau em Kelvin acima do zero absoluto, ou cerca de 459 graus abaixo de zero Fahrenheit - não exatamente propício ao amplo uso popular.

Muitos cientistas culparam o doping por fazer o QAHE ocorrer apenas em temperaturas muito baixas, Shi disse, o que levou os pesquisadores a procurar outra técnica para tornar as superfícies de TI magnéticas.

Entre no laboratório SHINES (Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems) da UCR, um centro de pesquisa de fronteira de energia financiado pelo Departamento de Energia na UCR que Shi lidera e está focado no desenvolvimento de filmes, compostos e outras maneiras de colher ou usar a energia de forma mais eficiente do nano (pense bem pequeno, como na tecnologia molecular ou do tamanho de um átomo.

Em 2015, O laboratório de Shi criou primeiro heteroestruturas de filmes magnéticos e materiais de grafeno de um átomo de espessura usando uma técnica chamada epitaxia de feixe molecular a laser. As mesmas películas isolantes magnéticas atomicamente planas são críticas para isolantes de grafeno e topológicos.

"Os materiais precisam estar em contato íntimo para que a TI adquira magnetismo, "Shi disse." Se a superfície for áspera, não haverá um bom contato. Somos bons em fazer este filme magnético atomicamente plano, portanto, nenhum átomo extra está saindo. "

O laboratório do UCR então enviou os materiais para seus colaboradores no MIT, que usou epitaxia de feixe molecular para construir 25 camadas atômicas de TI no topo das folhas magnéticas, criando as heteroestruturas, que foram então enviados de volta ao UCR para fabricação e medições do dispositivo.

Mais pesquisas são necessárias para fazer o TI mostrar o efeito Hall anômalo quântico (QAHE) em altas temperaturas, e, em seguida, disponibilizar os materiais para miniaturização em eletrônica, Shi disse, mas as descobertas do laboratório SHINES mostram que, ao adotar a abordagem das heteroestruturas, As superfícies TI podem ser tornadas magnéticas - e robustas - em temperaturas normais.

Tornando menor, dispositivos mais rápidos operam com o mesmo ou níveis mais altos de eficiência como seus maiores, predecessores mais lentos "não acontecem naturalmente, "Shi disse." Os engenheiros trabalham duro para fazer todos os dispositivos funcionarem da mesma maneira e é preciso muita engenharia para chegar lá. "