Bilhões de minúsculos transistores fornecem o poder de processamento em smartphones modernos, controlar o fluxo de elétrons com rápida ativação e desativação.

Mas o progresso contínuo no empacotamento de mais transistores em dispositivos menores está levando em direção aos limites físicos dos materiais convencionais. Ineficiências comuns em materiais de transistor causam perda de energia que resulta em acúmulo de calor e vida útil mais curta da bateria, portanto, os pesquisadores estão em busca de materiais alternativos que permitam que os dispositivos operem com mais eficiência com menos energia.

Agora, um experimento conduzido no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) demonstrou, pela primeira vez, comutação eletrônica em um exótico, material ultrafino que pode carregar uma carga com perda quase zero à temperatura ambiente. Os pesquisadores demonstraram essa mudança ao submeter o material a um campo elétrico de baixa corrente.

O time, que foi liderado por pesquisadores da Monash University na Austrália e incluiu cientistas do Berkeley Lab, cultivou o material do zero e o estudou com raios-X na Advanced Light Source (ALS), uma instalação no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab).

O material, conhecido como bismuteto de sódio (Na3Bi), é um dos dois materiais que é conhecido por ser um "semimetal de Dirac topológico, "o que significa que tem propriedades eletrônicas únicas que podem ser ajustadas para se comportar de maneiras diferentes - em alguns casos mais como um material convencional e em outros casos mais como um material topológico. Suas propriedades topológicas foram confirmadas pela primeira vez em experimentos anteriores no ALS.

Materiais topológicos são considerados candidatos promissores para transistores de próxima geração, e para outras aplicações eletrônicas e de computação, devido ao seu potencial para reduzir a perda de energia e o consumo de energia em dispositivos. Essas propriedades podem existir à temperatura ambiente - uma distinção importante dos supercondutores que exigem resfriamento extremo - e podem persistir mesmo quando os materiais têm defeitos estruturais e estão sujeitos a tensões.

Materiais com propriedades topológicas são o foco de intensa pesquisa pela comunidade científica global (veja um artigo relacionado), e em 2016 o Prêmio Nobel de Física foi concedido por teorias relacionadas a propriedades topológicas em materiais.

A facilidade de mudar o material estudado no ALS de um estado eletricamente condutor para um isolante, ou estado não condutor, um bom presságio para suas futuras aplicações de transistores, disse Sung-Kwan Mo, um cientista da equipe do ALS que participou do último estudo. O estudo está detalhado na edição de 10 de dezembro da revista. Natureza .

Outro aspecto importante do último estudo é que a equipe da Monash University encontrou uma maneira de torná-lo extremamente fino, até uma única camada disposta em um padrão de favo de mel de átomos de sódio e bismuto, e para controlar a espessura de cada camada que eles criam.

"Se você quiser fazer um dispositivo, você quer torná-lo fino, "Mo disse." Este estudo prova que isso pode ser feito para Na3Bi, e suas propriedades elétricas podem ser facilmente controladas com baixa tensão. Estamos um passo mais perto de um transistor topológico. "

Michael Fuhrer, um físico da Monash University que participou do estudo, disse, "Esta descoberta é um passo na direção de transistores topológicos que podem transformar o mundo da computação."

Ele adicionou, "A eletrônica topológica de ultra-baixa energia é uma resposta potencial ao crescente desafio do desperdício de energia na computação moderna. A tecnologia da informação e comunicação já consome 8 por cento da eletricidade global, e isso está dobrando a cada década. "

No último estudo, pesquisadores cultivaram as amostras de materiais, medindo vários milímetros de lado, em um wafer de silício sob vácuo ultra-alto no ALS Beamline 10.0.1 usando um processo conhecido como epitaxia de feixe molecular. A linha de luz permite que os pesquisadores cultivem amostras e, em seguida, conduzam experimentos nas mesmas condições de vácuo, a fim de evitar a contaminação.

Esta linha de luz é especializada para uma técnica de raios-X conhecida como espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, ou ARPES, que fornecem informações sobre como os elétrons viajam nos materiais. Em materiais topológicos típicos, elétrons fluem em torno das bordas do material, enquanto o restante do material serve como isolante que impede esse fluxo.

Alguns experimentos de raios-X em amostras semelhantes também foram realizados no Síncrotron australiano para demonstrar que o Na3Bi ultrafino era independente e não interagia quimicamente com o wafer de silício em que foi cultivado. Os pesquisadores também estudaram amostras com um microscópio de tunelamento de varredura na Monash University, que ajudou a confirmar outras medições.

"Nestes caminhos marginais, elétrons só podem viajar em uma direção, "disse Mark Edmonds, um físico da Monash University que liderou o estudo. "E isso significa que não pode haver 'retrocesso, 'que é o que causa resistência elétrica em condutores elétricos convencionais. "

Nesse caso, pesquisadores descobriram que o material ultrafino se tornou totalmente condutor quando submetido ao campo elétrico, e também pode ser trocado para se tornar um isolante em todo o material quando sujeito a um campo elétrico ligeiramente mais alto.

Mo disse que a comutação eletricamente acionada é uma etapa importante para a realização de aplicações para materiais - alguns outros esforços de pesquisa buscaram mecanismos como dopagem química ou deformação mecânica que são mais desafiadores para controlar e realizar a operação de comutação.

A equipe de pesquisa está buscando outras amostras que possam ser ligadas e desligadas de maneira semelhante para orientar o desenvolvimento de uma nova geração de eletrônicos de energia ultrabaixa, Edmonds disse.