Os transistores são a base dos microchips e de toda a indústria eletrônica. A invenção dos transistores, por Bardeen e Brattain em 1947, galardoados com o prémio Nobel, é considerada uma das descobertas mais importantes do século XX.



Os transistores tradicionais baseiam-se na modulação de uma corrente elétrica sob um campo elétrico, o que só é possível com materiais semicondutores. Nos semicondutores, há menos portadores de carga livre em comparação com os metais, e o nível de Fermi (que é o trabalho termodinâmico necessário para adicionar um elétron ao sistema) fica em um intervalo de banda de energia, o que implica que os elétrons são mais difíceis de excitar.

Ao dopar semicondutores, pode-se criar um certo número de portadores livres, por exemplo, em uma banda vazia, que agora podem ser excitados para momentos maiores e, portanto, podem transportar corrente elétrica através do material.

Com semicondutores, um fluxo controlado de elétrons de uma fonte para um sumidouro é possível sob a aplicação de um campo elétrico. Como a característica corrente-tensão do material é fortemente não linear, um sinal elétrico pode assim ser amplificado ou suprimido, como em um diodo de junção p – n.

Por que os transistores são feitos de semicondutores e não, por exemplo, de metais? Com condutores metálicos não é possível fabricar transistores devido ao grande número de elétrons livres (extremamente móveis), que blindam completamente o campo elétrico no interior do material.

Na prática, assim que você ativa um campo elétrico na amostra condutora, todos os elétrons se movem quase instantaneamente dentro da amostra e se redistribuem internamente de modo que sua nova distribuição espacial cria um campo elétrico que cancela exatamente o campo elétrico aplicado externamente.

Este fenómeno impede assim a possibilidade de controlar o fluxo de electricidade (microscopicamente, o fluxo de electrões livres) quando um campo eléctrico externo é activado através do condutor.

Recentemente, supercondutores metálicos com apenas alguns nanômetros de espessura foram usados ​​experimentalmente para realizar um novo efeito de campo elétrico como uma rota viável para transistores metálicos. Materiais supercondutores são metais que, se resfriados abaixo de uma certa temperatura crítica, podem suportar o fluxo de elétrons sem resistência. Em outras palavras, são condutores ideais onde a eletricidade pode ser transportada sem dissipação ou resistência.

A razão para este comportamento aparentemente mágico reside na formação de pares de elétrons mantidos juntos por uma “cola” fornecida pelos movimentos térmicos da rede. Esses pares obedecem à estatística quântica (estatística de Bose-Einstein), o que permite que um grande número de partículas (pares de elétrons colados, neste caso) ocupem o estado de energia mais baixo ou estado fundamental.

O estado fundamental forma então uma função de onda quântica coerente que é imune a processos de espalhamento que geram resistividade e, assim, os elétrons podem fluir livremente através do material e transportar eletricidade sem dissipação de energia.

Trabalhando com esses dispositivos metálicos supercondutores, uma equipe experimental liderada por Francesco Giazotto do Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) italiano observou que um campo elétrico externo de amplitude suficiente pode suprimir a corrente elétrica. Este fenômeno possibilita assim a utilização do filme fino supercondutor como diodo, já que agora podemos controlar a corrente elétrica através do metal sintonizando o campo elétrico externo.

Embora os experimentos tenham sido feitos usando materiais convencionais muito padronizados (por exemplo, alumínio), esse efeito não poderia ser explicado pela teoria padrão da supercondutividade (que foi desenvolvida pelo mesmo físico, John Bardeen, que co-descobriu o transistor e para o qual ele recebeu um segundo prêmio Nobel de física, um caso bastante excepcional na história).

Esta teoria, conhecida como teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer ou BCS, explica que os movimentos térmicos da rede (fônons) fornecem a cola que forma os pares de elétrons, suprimindo a interação repulsiva de Coulomb entre os dois elétrons.

Nos últimos anos, tenho trabalhado em uma teoria que generaliza a teoria BCS para filmes metálicos muito finos, com espessura de apenas alguns nanômetros ou até inferior a um nanômetro.

Nesta nova teoria, implementei matematicamente o princípio de que partículas quânticas, como os elétrons, também estão associadas a um comprimento de onda. Se este comprimento de onda exceder o tamanho do filme fino, o elétron correspondente não poderá se propagar através da amostra.

Ao fazer a matemática, junto com meu aluno Riccardo Travaglino, descobri que a distribuição correspondente dos estados do elétron no espaço dos momentos disponíveis (onde o momento de uma partícula quântica é proporcional ao inverso do seu comprimento de onda) é modificada pelo confinamento geométrico.

Em particular, descobrimos que a chamada esfera de Fermi, que descreve os momentos ocupados dos estados de elétrons livres nos metais, adquire duas "bolsas de buracos" esféricas simétricas de estados proibidos (ver figura acima). Usando essa descoberta, conseguimos calcular a temperatura crítica na qual o metal se torna supercondutor, em excelente concordância com os dados experimentais.

Alguns meses depois, na primavera de 2023, conheci o professor Vladimir Fomin, do Instituto Leibniz, em Dresden, e ilustrei-lhe as nossas descobertas. Ele imediatamente apontou a relevância potencial de nossa teoria para o “diodo metálico supercondutor” experimental descoberto por Giazotto e colegas de trabalho.

Durante o verão de 2023, com o Professor Fomin, iniciamos assim uma colaboração que visa implementar a teoria do confinamento para descrever uma película fina supercondutora sob um campo elétrico externo.

Para esta nova teoria, tivemos que levar em conta o fato de que a “cola” fornecida pelos fônons também é afetada pela concentração de elétrons livres, assim como sua repulsão de Coulomb. Estas quantidades, por sua vez, são fortemente afetadas pelo confinamento do filme fino.

A nova teoria, levando em conta esses aspectos cruciais, mostra pela primeira vez que a teoria microscópica adequadamente modificada de Bardeen-Cooper-Schrieffer, que leva em conta o confinamento, pode prever a supressão induzida pelo campo elétrico da corrente elétrica supercondutora devido aos efeitos de confinamento de ondas quânticas em ultra -filmes finos.

Na prática, devido ao confinamento, existem bolsas de buracos dentro do mar de Fermi que levam a um aumento da densidade de estados na superfície de Fermi. Por sua vez, este efeito aumenta a repulsão de Coulomb entre os elétrons, na medida em que um campo elétrico pode facilmente quebrar os pares de elétrons mantidos juntos pela "cola" do fônon. A teoria explica assim que este efeito se torna maior com a diminuição da espessura do filme, de acordo com observações experimentais.

Graças a esta nova teoria, toda uma gama de materiais de portas quânticas pode ser desenvolvida e otimizada em aplicações futuras. Além disso, a teoria do confinamento prevê uma nova transição topológica ao reduzir ainda mais a espessura do filme de uma topologia trivial da superfície de Fermi para uma topologia não trivial associada a uma mudança nas propriedades eletrônicas.

Nossa pesquisa está publicada na revista Physical Review B .

Esta história faz parte do Science X Dialog, onde pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o Science X Dialog e como participar.