p (PhysOrg.com) - Cientistas de Stanford e SLAC descobriram uma maneira potencial de aproveitar as incríveis propriedades dos isolantes topológicos - materiais que conduzem eletricidade apenas ao longo de suas superfícies - para uso em eletrônica e outras aplicações. p Um artigo publicado online esta semana em Nature Nanotechnology descreve como eles combinaram dois isoladores topológicos previamente conhecidos para criar um novo que transporta apenas correntes de superfície. Eles então criaram este material em extremamente fino, placas minúsculas e mostraram que podiam controlar as propriedades eletrônicas dessas nanoplacas usando um portão - essencialmente, um transistor que abre e fecha para mudar o material de um estado para outro.

p “Gating é muito importante para dispositivos eletrônicos, ”Disse o co-autor Yi Cui, um professor associado da faculdade de Stanford e SLAC, e controlar as propriedades desses novos materiais "é realmente a base para a fabricação de futuros dispositivos eletrônicos para processamento de informações".

p A pesquisa combinou os esforços de físicos e cientistas de materiais do SIMES, o Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, que é um instituto conjunto do SLAC National Accelerator Laboratory e da Stanford University.

p Um grupo de trabalho com Stanford Associate Prof. Ian Fisher preparou cristais do novo composto, que contém três elementos - bismuto, antimônio e telúrio. Outro grupo, sob a direção do cientista-chefe do SLAC, Zhi-Xun Shen, testou várias combinações dos três elementos para ver qual tinha as melhores propriedades eletrônicas, usando instrumentos da Advanced Light Source no Lawrence Berkeley National Laboratory.

p Eles procuraram a combinação que permitia que a maior corrente flua na superfície do material e a menor quantidade de corrente flua através do interior, que é conhecido como o material a granel. Este fluxo interno interfere com as qualidades desejáveis ​​de um isolador topológico.

p Finalmente, O grupo de Cui formou o composto em nanoplacas de seis lados cujas propriedades podem ser controladas ligando e desligando uma corrente elétrica separada; essa é a parte do portão. Girar a chave em uma direção fez com que o composto se comportasse como um material do tipo n - aquele em que a eletricidade é conduzida por elétrons carregados negativamente. Girar a chave para o outro lado transformou o composto em um material do tipo p, em que “buracos” carregados positivamente transportavam a corrente. Os chips eletrônicos de hoje contêm materiais do tipo p e n.

p Este estudo está entre os primeiros a demonstrar claramente que é possível usar um portão para alternar toda a peça de material isolante topológico entre esses dois estados.

p “Na verdade, isso é muito importante para qualquer tipo de material eletrônico, ”Disse Desheng Kong, um estudante de graduação do quarto ano no laboratório de Cui, quem é o primeiro autor do relatório. “Você não quer apenas entendê-los, mas para controlar suas propriedades. ”

p O fato de que as propriedades do material podem ser ajustadas pela aplicação de uma corrente de porta também significa que você não precisa começar com um material perfeito para alcançar um bom desempenho, acrescentou o cientista da equipe do SLAC, Yulin Chen, o segundo autor do relatório. "Isso é legal, Disse ele. “E claro, a longo prazo, as pessoas continuarão fazendo os materiais cada vez melhores ”.

p Novos dispositivos são desesperadamente necessários porque a utilidade da tecnologia de semicondutores de hoje está chegando ao fim, disse SIMES Prof. Shoucheng Zhang, que não esteve envolvido neste estudo.

p Ele disse que um dos maiores obstáculos para a continuação da Lei de Moore - a ideia de que o número de transistores que podem ser espremidos em um circuito integrado dobrará a cada 18 meses - é que os elétrons que se movem dentro dos chips atuais se dissipam muito aquecer. “Você realmente sente que quando coloca seu laptop no colo, Disse ele. “Não é apenas irritante, mas um chip não funciona mais, a uma certa velocidade, ”Quando fica muito quente.

p “Este se tornou um problema tão fundamental que muitas pessoas pensam que a única maneira de resolvê-lo é mudando a arquitetura fundamental e o princípio operacional do chip, ”Zhang disse, “E isso é um playground para os físicos.”

p A vantagem potencial de usar isoladores topológicos para transportar correntes em chips é que os elétrons que viajam ao longo da superfície fina do material o fazem com grande eficiência e geram muito pouco calor. Não é apenas a espessura da superfície que desempenha um papel; é o fato de que esses elétrons exibem algo chamado de "efeito Hall de spin quântico, "uma das realizações assustadoras da mecânica quântica. Ao contrário dos elétrons em materiais convencionais, cada elétron em um isolador topológico viaja em uma direção perpendicular ao seu spin.

p O efeito líquido é que os elétrons fluem suavemente na mesma direção, sem resistência, desviando-se calmamente de obstáculos - como contaminantes acidentais ou defeitos no material - em vez de colidir e desviar em todas as direções. Como Zhang explica, é a diferença entre uma Ferrari em alta velocidade por um mercado lotado e o mesmo carro cruzando uma rodovia.

p A empolgação em torno dos isoladores topológicos não se limita à sua utilidade potencial em dispositivos eletrônicos. Eles também podem dar aos cientistas uma visão sobre uma ampla variedade de fenômenos exóticos, incluindo partículas hipotéticas chamadas axions, o que poderia ajudar a explicar a matéria escura, e monopolos magnéticos.

p Foi Zhang quem, em 2006, ajudou a desencadear uma corrida louca para investigar isoladores topológicos ao prever que uma liga de mercúrio e telúrio se comportaria como uma só. Dentro de um ano, um grupo na Alemanha fez este composto e mostrou que realmente funcionou, mas apenas em temperaturas muito baixas. Em 2009, Chen, Shen, Fisher e seus colegas provaram que telureto de bismuto - um mais barato, material mais abundante e fácil de manusear - é um isolante topológico à temperatura ambiente, e o campo realmente decolou.

p O resultado mais recente é “um passo significativo, ”Zhang disse, no esforço mundial de muitos grupos de cientistas para aproveitar as propriedades desses novos materiais.