O fim da era do silício começou. À medida que os chips de computador se aproximam dos limites físicos da miniaturização e os processadores que consomem muita energia aumentam os custos de energia, os cientistas estão procurando por uma nova safra de materiais exóticos que possam fomentar uma nova geração de dispositivos de computação que prometem elevar o desempenho a novos patamares enquanto economizam no consumo de energia.

Ao contrário da eletrônica baseada em silício atual, que eliminam a maior parte da energia que consomem como calor residual, o futuro tem tudo a ver com computação de baixo consumo. Conhecido como spintrônica, esta tecnologia depende de uma propriedade física quântica de elétrons - spin para cima ou para baixo - para processar e armazenar informações, em vez de movê-los com eletricidade, como a computação convencional faz.

Na busca para tornar os dispositivos spintrônicos uma realidade, cientistas da Universidade do Arizona estão estudando uma safra exótica de materiais conhecidos como dichalcogenetos de metais de transição, ou TMDs. Os TMDs têm propriedades interessantes que se prestam a novas maneiras de processar e armazenar informações e podem fornecer a base de futuros transistores e fotovoltaicos - e potencialmente até mesmo oferecer uma avenida para a computação quântica.

Por exemplo, as células solares atuais baseadas em silício convertem realisticamente apenas cerca de 25 por cento da luz solar em eletricidade, então a eficiência é um problema, diz Calley Eads, um estudante de doutorado do quinto ano no Departamento de Química e Bioquímica da UA que estuda algumas das propriedades desses novos materiais. "Pode haver uma grande melhoria lá para coletar energia, e esses materiais podem potencialmente fazer isso, " ela diz.

Existe um problema, no entanto:a maioria dos TMDs mostra sua magia apenas na forma de folhas que são muito grandes, mas apenas um a três átomos finos. Essas camadas atômicas são desafiadoras o suficiente para fabricar em escala de laboratório, muito menos na produção industrial em massa.

Muitos esforços estão em andamento para projetar materiais atomicamente finos para comunicação quântica, eletrônicos de baixa potência e células solares, de acordo com Oliver Monti, professora do departamento e conselheira de Eads. Estudar um TMD que consiste em camadas alternadas de estanho e enxofre, sua equipe de pesquisa descobriu recentemente um possível atalho, publicado no jornal Nature Communications .

“Mostramos que, para algumas dessas propriedades, você não precisa ir para as folhas atomicamente finas, "ele diz." Você pode ir para a forma cristalina muito mais acessível que está disponível na prateleira. Algumas das propriedades foram salvas e sobreviveram. "

Compreendendo o movimento do elétron

Esse, claro, poderia simplificar drasticamente o design do dispositivo.

"Esses materiais são tão incomuns que descobrimos cada vez mais sobre eles, e eles estão revelando alguns recursos incríveis que achamos que podemos usar, mas como sabemos com certeza? ", diz Monti." Uma maneira de saber é entender como os elétrons se movem nesses materiais para que possamos desenvolver novas maneiras de manipulá-los - por exemplo, com luz em vez de corrente elétrica, como fazem os computadores convencionais. "

Para fazer esta pesquisa, a equipe teve que superar um obstáculo que nunca havia sido superado antes:descobrir uma maneira de "observar" os elétrons individuais enquanto eles fluem através dos cristais.

"Nós construímos o que é essencialmente um relógio que pode cronometrar os elétrons em movimento como um cronômetro, "Monti diz." Isso nos permitiu fazer as primeiras observações diretas de elétrons se movendo em cristais em tempo real. Até agora, que só tinha sido feito indiretamente, usando modelos teóricos. "

O trabalho é um passo importante para aproveitar os recursos incomuns que tornam os TMDs candidatos intrigantes para a futura tecnologia de processamento, porque isso requer um melhor entendimento de como os elétrons se comportam e se movem neles.

O "cronômetro" de Monti torna possível rastrear elétrons em movimento com uma resolução de um mero attossegundo - um bilionésimo de bilionésimo de segundo. Rastreando elétrons dentro dos cristais, a equipe fez outra descoberta:o fluxo de carga depende da direção, uma observação que parece ir contra a física.

Colaborando com Mahesh Neupane, um físico computacional no Laboratório de Pesquisa do Exército, e Dennis Nordlund, um especialista em espectroscopia de raios-X no SLAC National Accelerator Laboratory da Stanford University, A equipe de Monti usou um sintonizável, fonte de raios-X de alta intensidade para excitar elétrons individuais em suas amostras de teste e elevá-los a níveis de energia muito altos.

"Quando um elétron está excitado dessa forma, é o equivalente a um carro que está sendo empurrado de 10 milhas por hora para milhares de milhas por hora, "Monti explica." Ele quer se livrar dessa enorme energia e cair de volta ao seu nível de energia original. Esse processo é extremamente curto, e quando isso acontecer, emite uma assinatura específica que podemos captar com os nossos instrumentos. "

Os pesquisadores conseguiram fazer isso de uma forma que lhes permitiu distinguir se os elétrons excitados permaneciam na mesma camada do material, ou espalhar em camadas adjacentes no cristal.

"Vimos que os elétrons excitados desta forma espalhados dentro da mesma camada e o fizemos extremamente rápido, na ordem de algumas centenas de attossegundos, "Monti diz.

Em contraste, os elétrons que cruzaram para as camadas adjacentes levaram mais de 10 vezes mais tempo para retornar ao seu estado de energia fundamental. A diferença permitiu aos pesquisadores distinguir entre as duas populações.

"Fiquei muito animado ao descobrir que o mecanismo direcional de distribuição de carga ocorrendo dentro de uma camada, em oposição a entre camadas, "diz Eads, o autor principal do artigo. "Isso nunca tinha sido observado antes."

Mais perto da fabricação em massa

O "relógio" de raios-X usado para rastrear elétrons não faz parte das aplicações previstas, mas um meio de estudar o comportamento dos elétrons dentro deles, Monti explica, um primeiro passo necessário para se aproximar da tecnologia com as propriedades desejadas que poderiam ser fabricadas em massa.

"Um exemplo do comportamento incomum que vemos nesses materiais é que um elétron indo para a direita não é o mesmo que um elétron indo para a esquerda, "ele diz." Isso não deveria acontecer - de acordo com a física dos materiais padrão, ir para a esquerda ou para a direita é exatamente a mesma coisa. Contudo, para esses materiais isso não é verdade. "

Essa direcionalidade é um exemplo do que torna as TMDs intrigantes para os cientistas, porque pode ser usado para codificar informações.

"Mover para a direita pode ser codificado como 'um' e ir para a esquerda como 'zero, '', Diz Monti. 'Então, se eu puder gerar elétrons que vão perfeitamente para a direita, Eu escrevi um monte de, e se eu puder gerar elétrons que vão perfeitamente para a esquerda, Eu gerei um monte de zeros. "

Em vez de aplicar corrente elétrica, engenheiros poderiam manipular elétrons dessa forma usando luz, como um laser, para escrever opticamente, ler e processar informações. E talvez um dia possa até mesmo ser possível emaranhar informações opticamente, abrindo caminho para a computação quântica.

"Todo ano, mais e mais descobertas estão ocorrendo nesses materiais, "Eads diz." Eles estão explodindo em termos dos tipos de propriedades eletrônicas que você pode observar neles. Há todo um espectro de maneiras pelas quais eles podem funcionar, da supercondução, semicondutor para isolante, e possivelmente mais. "

A pesquisa descrita aqui é apenas uma maneira de sondar o inesperado, propriedades emocionantes de cristais TMD em camadas, de acordo com Monti.

"Se você fez este experimento com silício, você não veria nada disso, "diz ele." O silício sempre se comportará como um cristal tridimensional, não importa o que você faça. É tudo uma questão de camadas. "