Pesquisadores do Departamento de Físico-Química do Instituto Fritz Haber e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo descobriram que mudanças ultrarrápidas nas propriedades dos materiais podem ser acionadas por pulsos de laser - e por quê. Esse conhecimento pode possibilitar novos conceitos de transistores.

Tornar a velocidade da tecnologia eletrônica o mais rápido possível é um objetivo central da pesquisa de materiais contemporânea. Os principais componentes das tecnologias de computação rápida são os transistores:dispositivos de comutação que ligam e desligam correntes elétricas muito rapidamente como etapas básicas de operações lógicas. A fim de melhorar nosso conhecimento sobre os materiais ideais para transistores, os físicos estão constantemente tentando determinar novos métodos para realizar essas mudanças extremamente rápidas. Pesquisadores do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck em Berlim e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo descobriram que um novo tipo de interruptor ultrarrápido pode ser realizado com luz.

Os físicos envolvidos no projeto estão estudando a melhor forma de fazer com que os materiais mudem suas propriedades - para tornar os metais magnéticos não magnéticos, por exemplo, ou para alterar a condutividade elétrica de um cristal. As propriedades elétricas de um material estão fortemente relacionadas ao arranjo dos elétrons no cristal. Controlar o arranjo dos elétrons tem sido um tópico importante por décadas. A maioria dos métodos de controle, Contudo, são bastante lentos.

"Sabíamos que influências externas, como variações de temperatura ou pressão, funcionam, "diz o Dr. Ralph Ernstorfer, Líder de Grupo do Departamento de Físico-Química do Instituto Fritz Haber, "mas isso leva tempo, pelo menos alguns segundos. ”Aqueles que usam regularmente um smartphone ou computador sabem que alguns segundos podem parecer uma eternidade. Portanto, o grupo do Dr. Ernstorfer explorou como alternar as propriedades dos materiais com muito mais rapidez por meio da luz.

Usando equipamentos novos no Instituto Fritz Haber, os pesquisadores reduziram enormemente o tempo de comutação para apenas 100 femtossegundos, disparando pulsos de laser óptico ultracurtos no material escolhido, um cristal semimetálico composto de átomos de tungstênio e telúrio. O brilho da luz no cristal o encoraja a reorganizar sua estrutura eletrônica interna, que também altera a condutividade do cristal. Além disso, os cientistas foram capazes de observar exatamente como sua estrutura eletrônica mudou.

"Usamos um novo instrumento para tirar fotos da transição em cada etapa do caminho, "explica o Dr. Samuel Beaulieu, trabalhou como pós-doutorado com Ralph Ernstorfer no Fritz-Haber-Institut (2018-2020) e agora é pesquisador permanente no Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) do CNRS-Bordeaux University. "Este é um progresso incrível - costumávamos saber apenas como era a estrutura eletrônica do material depois, mas nunca durante a transição, "acrescenta. Além disso, modelagem de última geração deste novo processo pelo Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, Dr. Michael Sentef, e o Prof. Dr. Angel Rubio, do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, revelou a origem deste novo tipo de transição eletrônica ultrarrápida. O pulso de laser incidindo sobre os materiais muda a maneira como os elétrons interagem uns com os outros. Essa é a força motriz desta transição exótica, conhecido como transição Lifshitz.

Este método deve gerar uma grande quantidade de conhecimento sobre possíveis materiais futuros de transistores. O fato de que a luz pode impulsionar transições eletrônicas ultrarrápidas é um primeiro passo para uma tecnologia ainda mais rápida e eficiente.

O estudo é publicado em Avanços da Ciência .