Pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill criaram uma via de mão única para os elétrons que podem desbloquear a capacidade dos dispositivos de processar dados sem fio de ultra-alta velocidade e, simultaneamente, colher energia para gerar energia. Os pesquisadores fizeram isso moldando o silício em escala microscópica para criar um funil, ou "catraca, "para elétrons.

Este método supera as limitações de velocidade de tecnologias anteriores, removendo interfaces que tendem a desacelerar os dispositivos. "Este trabalho é empolgante porque pode permitir um futuro em que coisas como smartwatches de baixo consumo sejam carregados sem fio a partir dos dados que já recebem, sem nunca precisar deixar o pulso de uma pessoa, "disse James Custer Jr., estudante de doutorado na Faculdade de Artes e Ciências da UNC-Chapel Hill.

Os resultados foram publicados em 10 de abril na revista Ciência . Custer é o autor principal. Ele trabalhou com colaboradores nas universidades Duke e Vanderbilt.

Elétrons carregam corrente elétrica, e eles normalmente não se importam com a forma do fio no qual a corrente flui. Ainda, quando as coisas ficam muito pequenas, a forma começa a importar. Os funis aqui são ultrapequenos, mais de um milhão de vezes menor do que um fio elétrico típico. Como resultado, os elétrons internos se comportam como bolas de bilhar - quicando livremente nas superfícies. A forma assimétrica do funil faz com que os elétrons saltem preferencialmente em uma direção. Com efeito, os elétrons são forçados a seguir uma via de mão única.

Sob uma tensão de corrente contínua (DC), o funil torna mais fácil para a corrente fluir na direção para frente do que na direção reversa, criando um diodo elétrico. Quando a corrente alternada (AC) é aplicada, a estrutura ainda permite apenas que a corrente flua em uma direção, comportando-se como uma catraca e fazendo com que os elétrons se acumulem em um lado. Este processo é como uma chave de caixa, que força as catracas para produzir movimento físico em apenas uma direção.

O trabalho mostrou que essas catracas de elétrons criam "diodos geométricos" que operam em temperatura ambiente e podem desbloquear habilidades sem precedentes no regime ilusório de terahertz.

"Os diodos elétricos são um componente básico da eletrônica, e nossos resultados sugerem que pode haver um paradigma completamente diferente para o projeto de diodos que operam em frequências muito altas, "disse James Cahoon, um professor associado de química. Cahoon é o autor correspondente e liderou o grupo de pesquisa do estudo. "Os resultados são possíveis porque crescemos as estruturas de baixo para cima, usando um processo sintético que produz geometricamente preciso, materiais monocristalinos. "

As catracas de elétrons são criadas por um processo previamente desenvolvido no grupo Cahoon denominado ENGRAVE, que significa "Crescimento e aparência de nanofio codificado por meio de VLS e corrosão". ENGRAVE usa um processo de vapor-líquido-sólido para cultivar quimicamente cilindros de cristal único de silício, chamados nanofios, com geometria precisamente definida.

"Muito do trabalho neste campo foi feito anteriormente com materiais caros em temperaturas criogênicas, mas nosso trabalho destaca que diodos geométricos feitos com silício relativamente barato podem funcionar em temperatura ambiente, que até nos surpreendeu no começo, "Custer disse." Esperamos que nossos resultados despertem um grande interesse em diodos geométricos. "

Os diodos são a espinha dorsal de toda tecnologia; eles permitem que os computadores processem dados codificando sinais como 1s e 0s. Tradicionalmente, diodos requerem interfaces entre materiais, como entre semicondutores tipo n e tipo p ou entre semicondutores e metais. Por contraste, diodos geométricos são feitos de um único material e simplesmente usam a forma para direcionar as cargas preferencialmente em uma direção.

Com o desenvolvimento contínuo, catracas de elétrons de nanofios prometem pavimentar uma alta velocidade, estrada de mão única para novas tecnologias.