Pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison fizeram um material que pode fazer a transição de um metal transmissor de eletricidade para um material isolante não condutor sem alterar sua estrutura atômica.

"Esta é uma descoberta muito empolgante, "diz Chang-Beom Eom, professor de ciência e engenharia de materiais. "Encontramos um novo método de comutação eletrônica."

O novo material pode lançar as bases para dispositivos eletrônicos ultrarrápidos. Eom e sua equipe internacional de colaboradores publicaram detalhes de seu avanço hoje (30 de novembro, 2018) no jornal Ciência .

Metais como cobre ou prata conduzem eletricidade, enquanto isoladores como borracha ou vidro não permitem que a corrente flua. Alguns materiais, Contudo, pode fazer a transição de isolante para condutor.

Essa transição geralmente significa que o arranjo dos átomos de um material e seus elétrons condutores devem mudar de forma coordenada, mas a transição atômica normalmente ocorre muito mais lentamente do que a menor, elétrons mais leves que conduzem eletricidade.

Um material que pode passar a conduzir eletricidade como um metal sem mover seus átomos pode aumentar drasticamente as velocidades de comutação de dispositivos avançados, diz Eom.

"A transição de metal para isolador é muito importante para interruptores e dispositivos lógicos com um ou um estado zero, "ele diz." Temos o potencial de usar esse conceito para fazer trocas muito rápidas. "

Em sua pesquisa, Eom e seus colaboradores responderam a uma pergunta fundamental que tem incomodado os cientistas há anos:A transição eletrônica e estrutural pode ser dissociada - essencialmente, os elétrons que mudam rapidamente podem se soltar e deixar os átomos para trás?

Eles usaram um material chamado dióxido de vanádio, que é um metal quando é aquecido e um isolante quando está em temperatura ambiente. Em altas temperaturas, os átomos que compõem o dióxido de vanádio são arranjados em um padrão de repetição regular que os cientistas chamam de fase rutilo. Quando o dióxido de vanádio esfria para se tornar um isolante, seus átomos adotam um padrão diferente, chamado monoclínico.

Nenhuma substância que ocorre naturalmente conduz eletricidade quando seus átomos estão na conformação monoclínica. E leva tempo para os átomos se reorganizarem quando um material atinge a temperatura de transição do isolador para o metal.

Crucialmente, transições de dióxido de vanádio entre um metal e um isolador em diferentes temperaturas, dependendo da quantidade de oxigênio presente no material. Os pesquisadores aproveitaram esse fato para criar duas camadas finas de dióxido de vanádio - uma com uma temperatura de transição ligeiramente mais baixa do que a outra - imprensada uma em cima da outra, com uma interface nítida entre eles.

Quando eles aqueceram o fino sanduíche de dióxido de vanádio, uma camada fez a mudança estrutural para se tornar um metal. Os átomos da outra camada permaneceram bloqueados na fase monoclínica isolante. Surpreendentemente, Contudo, aquela parte do material conduzia eletricidade.

Mais importante, o material permaneceu estável e manteve suas características únicas.

Embora outros grupos de pesquisa tenham tentado criar isoladores eletricamente condutores, esses materiais perderam suas propriedades quase que instantaneamente - persistindo por meros femtossegundos, ou alguns milésimos de um trilionésimo de segundo.

O material da equipe Eom, Contudo, está aqui para ficar.

"Conseguimos estabilizá-lo, tornando-o útil para dispositivos reais, "diz Eom.

A chave para sua abordagem era a camada dupla, estrutura em sanduíche. Cada camada era tão fina que a interface entre os dois materiais dominava o comportamento de toda a pilha. É uma ideia que Eom e seus colegas planejam levar adiante.

"Projetar interfaces pode abrir novos materiais, "diz Eom.

A Wisconsin Alumni Research Foundation está auxiliando os pesquisadores no depósito de patentes.