Uma equipe de pesquisadores da Academia Russa de Ciências (RAS), em colaboração com um colega do RIKEN (Instituto de Pesquisa Física e Química do Japão), forneceu prova teórica da existência de uma nova classe de materiais, meio-metais do vale do spin. Seu artigo foi publicado na revista Cartas de revisão física . A descoberta tem aplicações potenciais em dispositivos e eletrônicos implantáveis ​​baseados em grafeno, nanotubos, e uma série de outros materiais promissores.

O mecanismo microscópico proposto pelos pesquisadores difere significativamente do modelo usual de meio-metal baseado em uma forte interação elétron-elétron. Isso pode dar origem a uma nova direção na busca por meio-metais "não metálicos", ou seja, aqueles que não contêm átomos de metais de transição, como níquel, manganês e lantânio. Esses materiais seriam úteis em dispositivos e sistemas implantáveis. Os autores usam o termo "spin-valley-tronics" para se referir a essa possível alternativa à eletrônica tradicional.

À medida que os eletrônicos se tornam menores e mais densamente organizados, é altamente desafiador continuar aumentando o número de transistores ou a taxa de clock do microprocessador. Portanto, pesquisadores de todo o mundo estão explorando novas possibilidades. Um deles é a spintrônica, que faz uso de spins de elétrons e já tem algumas aplicações práticas importantes. Por volta da virada do século, o uso de materiais de magnetorresistência gigante em sensores de campo magnético (usados ​​para ler dados em discos rígidos) tem permitido o armazenamento de quantidades muito maiores de dados em HDDs.

Acredita-se que os meios-metais tenham um grande potencial na spintrônica. Eles foram previstos primeiro com base em simulações de computador e depois provaram existir experimentalmente. Em um material semimetálico, elétrons de apenas uma orientação de spin - por exemplo, gire - participe da corrente elétrica. A energia dos elétrons de spin down é muito alta, e, portanto, eles não podem transportar corrente de carga. Isso significa que quando a corrente passa por meio de metal, uma corrente polarizada por spin é gerada, também. Mas o spin-valley-tronics busca manipular não apenas uma população de elétrons com spin polarizado na corrente, mas também o chamado índice de vale.

O termo "vale" é emprestado da física dos semicondutores. Matematicamente, a energia de excitação em um sólido é expressa por E (k, n), onde k é o momento do elétron en é o índice de zona, ou seja, uma propriedade quântica discreta do estado do elétron. Esta função pode parecer um pouco estranha, e no caso de vários mínimos com energias de excitação comparáveis, existem vários "vales". Essencialmente, elétrons cujos estados correspondem a um dos vales não interagem com elétrons de outro vale. Tal conjunto de elétrons pode carregar não apenas spin e carga, mas também um valor distinto denominado índice de vale.

O índice do vale pode ser usado para transferir informações com a ajuda das correntes do vale - a este respeito, o índice do vale é bastante semelhante ao spin. Atualmente, pesquisas nessa direção estão sendo realizadas por vários grupos. Os pesquisadores agora provaram teoricamente a existência de uma nova classe de materiais para uso em spin-valley-tronics.

Todos os meios-metais disponíveis para os pesquisadores contêm átomos de metais de transição:níquel, manganês, lantânio, etc. Os pesquisadores demonstraram um mecanismo teórico para alcançar a semimetalicidade que não requer átomos de metal de transição. Isso tem uma série de aplicativos úteis, inclusive em dispositivos implantáveis.

Os físicos sugerem que tais semimetais não metálicos sejam obtidos de uma classe especial de materiais dielétricos chamados isoladores de onda de densidade de carga ou spin. O termo se refere a um estado com regiões microscópicas periódicas com carga média diferente de zero (spin) no material. Os teóricos descrevem tais sistemas como um condensado quântico de pares de elétron-buraco. Para formar um par deste tipo, dois vales são necessários:um fornece elétrons, o outro fornece buracos. É a presença de dois vales no sistema original que dá origem à semimetalicidade de vale de spin. Na física de semicondutores, um "buraco" é uma quase-partícula considerada como tendo uma carga positiva.

Para um material com uma onda de densidade se tornar um meio-metal, requer um tratamento especial conhecido como doping. Isso envolve a incorporação de elétrons ou buracos no isolador. Alexander Rozhkov, co-autor do artigo e pesquisador do Departamento de Problemas de Física e Energética do MIPT, explica que um sistema pode ser dopado submetendo-o a um campo elétrico externo ou modificações químicas de volume ou superfície:"Para cada sistema, um tipo adequado de átomo de dopagem, como nitrogênio, fósforo, ou algum outro elemento - precisa ser selecionado. Substituindo átomos do sistema hospedeiro por impurezas doando ou aceitando elétrons de condução, uma mudança nas propriedades do material original é induzida. "

A possibilidade de dopagem de materiais com ondas de densidade é discutida na literatura há muito tempo. Os sistemas tratados pelos pesquisadores têm várias fases, incluindo espacialmente não homogêneo - por exemplo, estados com a chamada separação de fase eletrônica, e as fases com paredes de domínio, frequentemente chamado de "listras". Agora, os pesquisadores fizeram a descoberta inesperada de duas novas fases - regular e semimetalicidade de vale de spin.

Artem Sboychakov, um dos autores do artigo e pesquisador sênior do ITAE RAS, disse, "De certa forma, nossa descoberta foi uma surpresa até para nós mesmos. O modelo físico que, nós achamos, tem uma fase semimetálica de vale de spin é clássica - tem sido estudada há décadas. Agora é com os experimentadores. Existem muitos materiais adequadamente descritos pelo modelo com que lidamos. Estou, portanto, convencido de que a fase que previmos será eventualmente descoberta, seja em um material que já está disponível hoje ou em um que ainda não foi sintetizado ”.