Um gráfico de uma interface emergente espontaneamente em um material quântico é mostrado. Nas camadas superior e inferior, os átomos (pontos verdes) do material investigado carregam um momento magnético (seta vermelha) que aponta em direções opostas. Nessas camadas, esses momentos magnéticos não estão correlacionados com os elétrons circundantes (pontos pretos). A camada central é semelhante a uma interface eletrônica, em que os átomos não carregam momentos magnéticos porque são protegidos pelos momentos magnéticos dos elétrons circundantes (setas pretas). O efeito de blindagem é destacado por uma nuvem de blindagem azul. O espalhamento dos elétrons para fora dos átomos é diferente nas camadas magnéticas e não magnéticas, que podem ser exploradas para novas funcionalidades. Crédito:Laboratório Nacional de Los Alamos
Uma potencial revolução na engenharia de dispositivos pode estar em andamento, graças à descoberta de interfaces eletrônicas funcionais em materiais quânticos que podem se auto-montar espontaneamente.
"Isso ilustra que, se pudermos aprender a controlar e explorar as propriedades notáveis nas interfaces dos materiais quânticos, isso provavelmente resultará em uma nova geração de dispositivos além da nossa imaginação atual, "disse Marc Janoschek, um físico do Laboratório Nacional de Los Alamos que, com David Fobes, também de Los Alamos, co-liderou a equipe de pesquisa internacional que fez a descoberta. Suas descobertas foram publicadas hoje em Física da Natureza . "Contudo, porque os materiais quânticos são quimicamente muito mais complexos em comparação com materiais "convencionais", como semicondutores, continua sendo um desafio fabricar interfaces de materiais quânticos limpos. "
Os materiais com propriedades caracterizadas pelas leis da mecânica quântica em vez da mecânica clássica costumam ter características como a supercondutividade. Mas uma extensa pesquisa mostrou que nas interfaces entre dois materiais, as propriedades notáveis dos materiais quânticos podem ser fortemente aumentadas ou podem surgir propriedades funcionais inteiramente novas.
Um exemplo da importância das interfaces de materiais seriam os transistores, cuja função é baseada em efeitos físicos que ocorrem em interfaces de semicondutores artificialmente projetadas por meio de técnicas como a litografia. Os transistores são a base da geração atual de dispositivos eletrônicos.
A complexidade dos materiais quânticos é frequentemente caracterizada pela competição de várias interações no nível quântico.
"Aqui, mostramos que ao mesmo tempo essa complexidade também fornece uma solução, "disse Fobes, que realizou sua pesquisa de pós-doutorado sob a supervisão de Janoschek. Fobes e Janoschek lideraram a equipe internacional de pesquisadores que combinou medições extensas de espectroscopia de nêutrons da Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) do Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Centro de Pesquisa de Nêutrons (NCNR) do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), Fonte de Nêutrons e Muons do Reino Unido (ISIS), e no Munich Research Reactor II (FRM II) do Heinz-Mayer-Leibnitz Zentrum na Alemanha com modelagem teórica detalhada.
Marc Janoschek, deixou, e David Fobes discutem recursos de materiais quânticos. Crédito:Laboratório Nacional de Los Alamos
"As medições de espectroscopia de nêutrons foram cruciais para demonstrar que, em certos metais, a competição entre várias interações pode ser resolvida pela formação espontânea de um estado no qual as propriedades eletrônicas e magnéticas alternam periodicamente, "disse Georg Ehlers, o cientista ORNL que realizou medições de espectroscopia no SNS.
Este arranjo periódico leva a interfaces entre camadas alternadas de materiais que são semelhantes a interfaces em heteroestruturas projetadas. Contudo, as interfaces de automontagem espontânea identificadas neste estudo apresentam grandes vantagens; eles são intrinsecamente limpos, e parâmetros relevantes, como a espessura da interface, podem ser ajustados in-situ por meio de parâmetros externos, como campo magnético ou temperatura.
Os ingredientes básicos identificados por Fobes e a equipe são comuns a várias classes de materiais quânticos e sugerem que essas interfaces intrínsecas e ajustáveis podem ser mais frequentes. Aprender a controlar a automontagem de tais interfaces quânticas intrínsecas, por sua vez, tem o potencial de revolucionar o design do dispositivo, onde os dispositivos não são fabricados, mas se formam espontaneamente por meio da engenharia quântica das interações em escala atômica subjacentes. Além disso, esses dispositivos podem ser ajustados e reconfigurados usando parâmetros externos, possivelmente permitindo o projeto de eletrônicos altamente adaptáveis.
