Os materiais ferroelétricos encontraram amplo uso na tecnologia cotidiana principalmente devido à sua polarização elétrica que pode ser alternada entre dois estados distintos. Superar o limite binário de ferroelétricos para atingir qualquer valor arbitrário da polarização tem sido um desafio de longa data, mas tem o potencial de expandir amplamente o escopo de aplicações ferroelétricas, por exemplo, para computação neuromórfica.
A eletrônica moderna é um mundo digital, onde a informação é gerada, armazenada e processada na forma de zeros e uns. Assim, para cumprir sua função, muitos componentes eletrônicos dependem de materiais que são inerentemente binários. Nos discos rígidos magnéticos, por exemplo, a informação é codificada na magnetização remanescente de um ferroímã que é definida pela conhecida histerese magnética e pode assumir exatamente dois valores distintos. Os domínios magnéticos no disco rígido (isto é, regiões com magnetização uniforme) constituem então bits de memória.

Embora a eletrônica binária tenha, sem dúvida, levado a inúmeras conquistas, elas estão atingindo seus limites fundamentais relacionados ao tamanho. Além disso, essa abordagem binária tem sido impraticável para imitar sistemas biológicos analógicos – como a transmissão sináptica no cérebro – que são muito promissores como base para a eletrônica neuromórfica de próxima geração altamente eficiente.

Concentrando-se em ferroelétricos – materiais com polarização elétrica espontânea comutável – pesquisadores do Laboratório de Materiais Ferroicos Multifuncionais e do Centro de Microscopia Eletrônica da EMPA agora perceberam com sucesso a capacidade de definir qualquer valor arbitrário da polarização em remanência. Eles conseguiram isso em filmes finos de titanato de zirconato de chumbo (PbZr_x Ti_1-x O₃ , em resumo PZT) - o material ferroelétrico tecnologicamente mais relevante que encontrou amplo uso, por exemplo, em sensores de pressão ou dispositivos ultrassônicos devido às suas propriedades piezoelétricas.

Para realizar essa alternância contínua da polarização, a equipe combinou dois aspectos particulares em sua abordagem de design. Primeiro, eles se concentraram em uma composição química do PZT que se aproxima de uma instabilidade de fase, onde até mesmo pequenos campos elétricos podem induzir respostas de materiais muito grandes, como deformação mecânica. Em segundo lugar, eles optaram por preparar filmes epitaxiais com espessura de apenas alguns nanômetros, onde a tensão induzida pelo substrato cristalino único subjacente atua como uma alça para controlar a arquitetura do domínio ferroelétrico.

Com base nessa estratégia, os pesquisadores prepararam os filmes usando um sistema de deposição de laser pulsado atomicamente preciso equipado com ferramentas de monitoramento in-situ de última geração e conseguiram obter uma configuração de domínio nos filmes de PZT consistindo em nanoscópicos (≈10 nm) dispostos aleatoriamente domínios. Surpreendentemente, eles descobriram que a aplicação de um campo elétrico permite reverter a polarização em cada domínio sem alterar o tamanho do domínio nanométrico. Como os domínios exibem uma ampla distribuição de barreiras de comutação, foi possível alternar apenas uma fração dos domínios com um valor de tensão aplicado. Assim, calculando a média sobre um punhado de domínios, eles foram capazes de estabilizar qualquer valor da polarização na remanência entre estados despolarizados e totalmente saturados.

Para demonstrar a relevância tecnológica de um controle contínuo de polarização em nanoescala, os pesquisadores realizaram dois experimentos de prova de conceito. Para sua primeira aplicação, eles mostraram que controlando espacialmente a polarização da rede é possível ajustar a eficiência da duplicação da frequência óptica – geração do segundo harmônico – uma propriedade que desempenha um grande papel para aplicações fotônicas. Em segundo lugar, eles demonstraram uma sintonização quase contínua da corrente do túnel que flui através do filme PZT, dependendo da polarização da rede. Além de oferecer uma leitura não destrutiva da polarização, essa manipulação do fluxo de corrente abre possibilidades interessantes para a fabricação de sinapses artificiais.

O estudo foi publicado na Nature Communications . + Explorar mais

Físicos descobrem mecanismo induzido pela luz para controlar a polarização ferroelétrica