Alguns óxidos de metal, como níquelados, tem uma resistividade ajustável, o que os torna um material interessante para eletrônica adaptável e computação cognitiva. Esses materiais podem mudar sua natureza de metálica para isolante. Como exatamente essa transição metal-isolante ocorre é um tópico de grande interesse na física da matéria condensada. Contudo, até mesmo o comportamento metálico dos níquelatos parece incomum. Cientistas da Universidade de Groningen, junto com colegas da Espanha, descobriram agora que não é tão complexo como se supunha anteriormente. Os resultados foram publicados no dia 11 de junho na revista. Nature Communications .

Em um metal, elétrons podem se mover livremente, enquanto em isoladores, eles estão fortemente localizados em torno dos núcleos atômicos. Quando um metal é aquecido, as vibrações dos íons (chamadas fônons) espalham os elétrons em movimento e aumentam a resistividade. Em contraste, aquecimento pode gerar condutividade em alguns isoladores, quando os elétrons recebem energia suficiente para serem liberados e cruzam o gap de energia que, de outra forma, os impede de se moverem.

Explicações exóticas

"Em alguns óxidos, como níquelados, uma transição do isolador para o metal pode ocorrer, mas não está claro como isso acontece, "diz Beatriz Noheda, professor de nanomateriais funcionais e diretor do Centro de Materiais e Sistemas Cognitivos de Groningen (CogniGron) na Universidade de Groningen. Ela e seu Ph.D. o estudante Qikai Guo está interessado em níquelatos porque é possível ajustar sua resistividade. Eles podem ser usados ​​em dispositivos que simulam a maneira como as sinapses em nosso cérebro funcionam.

"Antes que possamos fazer isso, devemos entender qual é a natureza do estado mais simples, o estado do metal, é. Isso significa compreender como os elétrons se movem no material quando um campo elétrico é aplicado a eles, "explica Noheda. Uma mudança linear na resistividade (um expoente de 1 na curva que representa a resistividade em função da temperatura) pode ser explicada por um modelo simples em que os elétrons são impedidos pela vibração dos íons." para um expoente que não é 1, explicações mais exóticas foram sugeridas, com base na presença de flutuações nos spins dos elétrons do níquel e nas interações elétron-elétron que ocorrem quando o sistema está próximo de um ponto crítico quântico. "

Tensão

Contudo, em filmes finos de níquelato de neodímio (NdNiO ₃ ), Noheda e sua equipe observaram que o expoente era 1 em algumas amostras, enquanto em outras amostras do mesmo material, não era. Isso sugere que o expoente não é uma propriedade intrínseca. Noheda:"Isso nos levou a observar sistematicamente as amostras cultivadas em diferentes substratos." Os resultados mostraram que em filmes perfeitos, o expoente é 1, o que significa que a resistividade é causada por fônons, como em metais normais. Contudo, quando o substrato usado induz tensão na película fina, o expoente muda.

A tensão leva a lacunas de oxigênio nos cristais e altera as forças entre os íons e, Portanto, as energias eletrônicas. Este, por sua vez, muda a resistividade dos materiais. "O que descobrimos é que podemos controlar o número de vagas e ajustar continuamente o expoente de resistividade à vontade, que é um botão de ajuste que não sabíamos que tínhamos. Assim, compreender o estado do metal nesses níquelatos pode não exigir interações elétron-elétron exóticas, "Noheda conclui.

Dispositivos sinápticos

Aprender como controlar o estado do metal e a transição para o estado isolante ajudará os cientistas a projetar eletrônicos baseados em níquelatos, que pode emular a maneira como os neurônios funcionam. Esse é o objetivo final de Noheda e sua equipe. "Agora sabemos que esses níquelatos são mais semelhantes aos metais normais do que pensávamos anteriormente. Isso significa que eles podem ser condutores muito bons se garantirmos que não haja vacâncias de íons no cristal. Desta forma, a transição para a fase de isolamento traz mudanças maiores na resistência, levando a dispositivos sinápticos com plasticidade melhorada. "

Nestes experimentos, a mudança na resistividade desses níquelatos foi induzida por um aumento na temperatura. "Claro que isso não é o ideal quando você deseja fazer um dispositivo. Nosso próximo passo é projetar o material de forma que possamos sintonizar a resistividade usando um campo elétrico, "Noheda conclui.