Como nossos smartphones, laptops, e os computadores ficam menores e mais rápidos, o mesmo acontece com os transistores dentro deles que controlam o fluxo de eletricidade e armazenam informações. Mas os transistores tradicionais só podem encolher um pouco. Agora, pesquisadores do Stevens Institute of Technology desenvolveram um novo semicondutor magnético atomicamente fino que permitirá o desenvolvimento de novos transistores que funcionam de uma maneira completamente diferente; eles não só podem controlar a carga de um elétron, mas também o poder de seu spin, fornecendo um caminho alternativo para a criação de eletrônicos cada vez menores e mais rápidos.

Em vez de confiar na fabricação de componentes elétricos cada vez menores, a nova descoberta, relatado na edição de abril de 2020 da Nature Communications , potencialmente fornece uma plataforma crítica para o avanço do campo da spintrônica (spin + eletrônica), uma maneira fundamentalmente nova de operar a eletrônica e uma alternativa muito necessária para a miniaturização contínua de dispositivos eletrônicos padrão. Além de remover a barreira de miniaturização, o novo ímã atomicamente fino também pode permitir uma velocidade de processamento mais rápida, menor consumo de energia e maior capacidade de armazenamento.

"Um semicondutor ferromagnético bidimensional é um material em que o ferromagnetismo e as propriedades semicondutoras coexistem em um, e como nosso material funciona à temperatura ambiente, permite-nos integrá-lo prontamente com a tecnologia de semicondutores bem estabelecida, "disse EH Yang, professor de engenharia mecânica no Stevens Institute of Technology, quem liderou este projeto.

"A força do campo magnético neste material é de 0,5 mT; embora essa força do campo magnético fraca não nos permita pegar um clipe de papel, é grande o suficiente para alterar o spin dos elétrons, que pode ser utilizado para aplicações de bits quânticos, "disse Stefan Strauf, professor de física na Stevens.

Quando os computadores foram construídos pela primeira vez, eles encheram uma sala inteira, mas agora eles podem caber no bolso de trás. A razão para isso é a lei de Moore, o que sugere que a cada dois anos, o número de transistores que cabem em um chip de computador dobrará, efetivamente dobrando a velocidade e capacidade de um gadget. Mas os transistores só podem se tornar tão pequenos antes que os sinais elétricos que eles deveriam controlar não obedeçam mais aos seus comandos.

Embora a maioria dos analistas esperem que a lei de Moore termine em 2025, abordagens alternativas, que não dependem de dimensionamento físico, foram investigados. Manipulando o spin dos elétrons, em vez de depender apenas de sua carga, pode fornecer uma solução no futuro.

Construir um novo semicondutor magnético usando materiais bidimensionais, isto é, dois átomos de espessura - permitirá o desenvolvimento de um transistor para controlar a eletricidade com controle do spin de um elétron, para cima ou para baixo, enquanto todo o dispositivo permanece leve, flexível e transparente.

Usando um método chamado dopagem substitucional in situ, Yang e sua equipe sintetizaram com sucesso um semicondutor magnético pelo qual um cristal de dissulfeto de molibdênio é dopado de forma substitutiva com átomos de ferro isolados. Durante este processo, os átomos de ferro disparam alguns dos átomos de molibdênio e tomam seu lugar, no local exato, criando um material magnético transparente e flexível - novamente, apenas dois átomos de espessura. O material permanece magnetizado à temperatura ambiente, e uma vez que é um semicondutor, ele pode ser integrado diretamente à arquitetura existente de dispositivos eletrônicos no futuro.

Yang e sua equipe em Stevens trabalharam com várias instituições para criar imagens do material - átomo por átomo - para provar que os átomos de ferro tomaram o lugar de alguns dos átomos de molibdênio. Essas instituições incluíam a Universidade de Rochester, Rensselaer Polytechnic Institute, Laboratório Nacional de Brookhaven, e a Universidade de Columbia.

"Para fazer algo grande na ciência, você precisa fazer com que outros colaborem com você, "disse Shichen Fu, um Ph.D. estudante de engenharia mecânica na Stevens. "Desta vez, reunimos todas as pessoas certas - laboratórios com diferentes pontos fortes e diferentes perspectivas - para fazer isso acontecer. "