p O silício tem poucos concorrentes sérios como material de escolha na indústria eletrônica. Ainda transistores, as válvulas comutáveis ​​que controlam o fluxo de elétrons em um circuito, não pode simplesmente continuar encolhendo para atender às necessidades de poderosos, dispositivos compactos; limitações físicas como consumo de energia e dissipação de calor são muito significativas. p Agora, usando um material quântico chamado óxido correlacionado, Os pesquisadores de Harvard conseguiram uma mudança reversível na resistência elétrica de oito ordens de magnitude, resultado que os pesquisadores estão chamando de "colossal". Resumidamente, eles projetaram esse material para ter um desempenho comparável aos melhores interruptores de silício.

p A descoberta surgiu no que pode parecer um local improvável:um laboratório geralmente dedicado ao estudo de células de combustível - o tipo que funciona com metano ou hidrogênio - liderado por Shriram Ramanathan, Professor Associado de Ciência dos Materiais na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS). A familiaridade dos pesquisadores com filmes finos e transporte iônico permitiu-lhes explorar a química, ao invés de temperatura, para alcançar o resultado dramático.

p Como os óxidos correlacionados podem funcionar igualmente bem em temperatura ambiente ou algumas centenas de graus acima dela, seria fácil integrá-los aos dispositivos eletrônicos e métodos de fabricação existentes. A descoberta, publicado em Nature Communications , portanto, estabelece firmemente óxidos correlacionados como semicondutores promissores para futuros circuitos integrados tridimensionais, bem como para adaptativos, dispositivos fotônicos sintonizáveis.

p Silício desafiador

p Embora os fabricantes de eletrônicos continuem a embalar maior velocidade e funcionalidade em pacotes menores, o desempenho dos componentes à base de silício logo atingirá uma barreira.

p "Os transistores de silício tradicionais têm limitações de escala fundamentais, "diz Ramanathan." Se você reduzi-los além de um determinado tamanho mínimo de recursos, eles não se comportam exatamente como deveriam. "

p No entanto, os transistores de silício são difíceis de bater, com uma relação liga / desliga de pelo menos 10 ^ 4 necessária para o uso prático. "É uma barreira muito alta para cruzar, "Ramanathan explica, adicionando isso até agora, experimentos usando óxidos correlacionados produziram mudanças de apenas cerca de um fator de 10, ou 100 no máximo, próximo à temperatura ambiente. Mas Ramanathan e sua equipe criaram um novo transistor, feito principalmente de um óxido chamado níquelato de samário, que na operação prática atinge uma relação liga / desliga maior do que 10 ^ 5, ou seja, comparável aos transistores de silício de última geração.

p Em trabalhos futuros, os pesquisadores investigarão a dinâmica de chaveamento do dispositivo e a dissipação de energia; Enquanto isso, este avanço representa uma importante prova de conceito.

p "Nosso transistor orbital poderia realmente expandir as fronteiras desse campo e dizer, Você sabe o que? Este é um material que pode desafiar o silício, "Ramanathan diz.

p Dopagem química em estado sólido

p Cientistas de materiais vêm estudando a família de óxidos correlacionados há anos, mas o campo ainda está em sua infância, com a maioria das pesquisas destinadas a estabelecer as propriedades físicas básicas dos materiais.

p “Acabamos de descobrir como dopar esses materiais, que é um passo fundamental no uso de qualquer semicondutor, "diz Ramanathan.

p Dopagem é o processo de introdução de átomos diferentes na estrutura cristalina de um material, e afeta a facilidade com que os elétrons podem se mover através dele - isto é, em que medida resiste ou conduz eletricidade. O doping normalmente afeta essa mudança, aumentando o número de elétrons disponíveis, mas este estudo foi diferente. A equipe de Harvard manipulou o gap de banda, a barreira de energia ao fluxo de elétrons.

p "Por uma certa escolha de dopantes - neste caso, hidrogênio ou lítio - podemos ampliar ou estreitar o gap neste material, movendo elétrons deterministicamente para dentro e para fora de seus orbitais, "Ramanathan diz. Essa é uma abordagem fundamentalmente diferente da usada em outros semicondutores. O método tradicional muda o nível de energia para atingir o alvo; o novo método move o próprio alvo.

p Neste transistor orbital, prótons e elétrons se movem para dentro ou para fora do níquelato de samário quando um campo elétrico é aplicado, independentemente da temperatura, portanto, o dispositivo pode ser operado nas mesmas condições que a eletrônica convencional. É de estado sólido, o que significa que não envolve líquidos, gases, ou peças mecânicas móveis. E, na ausência de energia, o material lembra seu estado atual - uma característica importante para a eficiência energética.

p "Essa é a beleza deste trabalho, "diz Ramanathan." É um efeito exótico, mas, em princípio, é altamente compatível com dispositivos eletrônicos tradicionais. "

p Materiais quânticos

p Ao contrário do silício, níquelato de samário e outros óxidos correlacionados são materiais quânticos, o que significa que as interações da mecânica quântica têm uma influência dominante sobre as propriedades do material - e não apenas em pequenas escalas.

p "Se você tem dois elétrons em orbitais adjacentes, e os orbitais não estão completamente preenchidos, em um material tradicional, os elétrons podem se mover de um orbital para outro. Mas nos óxidos correlacionados, os elétrons se repelem tanto que não conseguem se mover, "Ramanathan explica." A ocupação dos orbitais e a capacidade dos elétrons de se moverem no cristal estão intimamente ligadas - ou 'correlacionadas'. Fundamentalmente, é isso que determina se o material se comporta como isolante ou como metal. "

p Ramanathan e outros na SEAS manipularam com sucesso a transição metal-isolante em óxido de vanádio, também. Em 2012, eles demonstraram um dispositivo ajustável que pode absorver 99,75% da luz infravermelha, aparentando preto para câmeras infravermelhas.

p De forma similar, é provável que o níquelato de samário chame a atenção de físicos aplicados que desenvolvem dispositivos fotônicos e optoeletrônicos.

p "Abrir e fechar o gap significa que agora você pode manipular as maneiras pelas quais a radiação eletromagnética interage com o seu material, "diz Jian Shi, autor principal do artigo em Nature Communications . Ele concluiu a pesquisa como um pós-doutorado no laboratório de Ramanathan em Harvard SEAS e ingressou no corpo docente do Rensselaer Polytechnic Institute neste outono. "Apenas aplicando um campo elétrico, você está controlando dinamicamente como a luz interage com este material. "

p Mais à frente, Pesquisadores do Centro de Materiais Quânticos Integrados, estabelecido em Harvard em 2013 por meio de uma bolsa da National Science Foundation, visam desenvolver uma classe inteiramente nova de dispositivos e sistemas eletrônicos quânticos que transformarão o processamento e a computação de sinais.

p Ramanathan compara o estado atual da pesquisa de materiais quânticos com a década de 1950, quando os transistores foram recentemente inventados e os físicos ainda os entendiam. "Estamos basicamente nessa era para esses novos materiais quânticos, "diz ele." Este é um momento empolgante para pensar sobre como estabelecer o básico, propriedades fundamentais. Na próxima década ou assim, isso poderia realmente amadurecer em uma plataforma de dispositivo muito interessante. "