Pesquisadores do MIT dizem que realizaram uma análise teórica mostrando que uma família de materiais bidimensionais exibe propriedades quânticas exóticas que podem permitir um novo tipo de eletrônica em nanoescala.

Prevê-se que esses materiais apresentem um fenômeno denominado efeito Hall de spin quântico (QSH), e pertencem a uma classe de materiais conhecida como dichalcogenetos de metais de transição, com camadas de alguns átomos de espessura. Os resultados são detalhados em um artigo publicado esta semana no jornal Ciência , co-autoria dos pós-docs do MIT Xiaofeng Qian e Junwei Liu; professor assistente de física Liang Fu; e Ju Li, professor de ciência nuclear e engenharia e ciência e engenharia de materiais.

Os materiais QSH têm a propriedade incomum de serem isolantes elétricos na maior parte do material, ainda altamente condutivo em suas bordas. Isso poderia torná-los um material adequado para novos tipos de dispositivos eletrônicos quânticos, muitos pesquisadores acreditam.

Mas apenas dois materiais com propriedades QSH foram sintetizados, e as aplicações potenciais desses materiais têm sido dificultadas por duas desvantagens sérias:seu espaçamento, uma propriedade essencial para fazer transistores e outros dispositivos eletrônicos, é muito pequeno, dando uma baixa relação sinal-ruído; e eles não têm a capacidade de ligar e desligar rapidamente. Agora, os pesquisadores do MIT dizem que encontraram maneiras de contornar potencialmente ambos os obstáculos usando materiais 2-D que foram explorados para outros fins.

Os materiais QSH existentes funcionam apenas em temperaturas muito baixas e sob condições difíceis, Fu diz, acrescentando que "os materiais que previmos para exibir este efeito são amplamente acessíveis. ... Os efeitos podem ser observados em temperaturas relativamente altas."

"O que é descoberto aqui é um verdadeiro material 2-D que tem essa característica [QSH], "Li diz." As bordas são como fios quânticos perfeitos. "

Os pesquisadores do MIT dizem que isso pode levar a novos tipos de eletrônicos quânticos de baixa potência, bem como dispositivos spintrônicos - um tipo de eletrônica em que o spin dos elétrons, em vez de sua carga elétrica, é usado para transportar informações.

Grafeno, um bidimensional, forma de carbono de um átomo de espessura com propriedades elétricas e mecânicas incomuns, tem sido objeto de muitas pesquisas, o que levou a pesquisas adicionais em materiais 2-D semelhantes. Mas até agora, poucos pesquisadores examinaram esses materiais para possíveis efeitos de QSH, a equipe do MIT diz. "Os materiais bidimensionais são um campo muito ativo para muitas aplicações potenciais, "Qian diz - e o trabalho teórico desta equipe agora mostra que pelo menos seis desses materiais compartilham essas propriedades QSH.

Os pesquisadores do MIT estudaram materiais conhecidos como dichalcogenetos de metais de transição, uma família de compostos feitos a partir dos metais de transição molibdênio ou tungstênio e telúrio não metálico, selênio, ou enxofre. Esses compostos naturalmente formam folhas finas, apenas átomos de espessura, que podem desenvolver espontaneamente um padrão de dimerização em sua estrutura cristalina. É essa dimerização de rede que produz os efeitos estudados pela equipe do MIT.

Embora o novo trabalho seja teórico, a equipe produziu um projeto para um novo tipo de transistor com base nos efeitos calculados. Chamado de transistor de efeito de campo topológico, ou TFET, o projeto é baseado em uma única camada de material 2-D ensanduichada por duas camadas de nitreto de boro 2-D. Os pesquisadores dizem que tais dispositivos podem ser produzidos em uma densidade muito alta em um chip e ter perdas muito baixas, permitindo operação de alta eficiência.

Ao aplicar um campo elétrico ao material, o estado QSH pode ser ligado e desligado, tornando possível uma série de dispositivos eletrônicos e spintrônicos, eles dizem.

Além disso, este é um dos materiais conhecidos mais promissores para possível uso em computadores quânticos, dizem os pesquisadores. A computação quântica é geralmente suscetível a interrupções - tecnicamente, uma perda de coerência - mesmo de perturbações muito pequenas. Mas, Li diz, os computadores quânticos topológicos "não podem perder coerência com pequenas perturbações. É uma grande vantagem para o processamento de informações quânticas".

Como já há muita pesquisa em andamento sobre esses materiais 2-D para outros fins, métodos para torná-los eficientes podem ser desenvolvidos por outros grupos e, então, podem ser aplicados à criação de novos dispositivos eletrônicos QSH, Qian diz.

Nai Phuan Ong, um professor de física da Universidade de Princeton que não estava ligado a este trabalho, diz, "Embora algumas das ideias tenham sido mencionadas antes, o sistema atual parece especialmente promissor. Este resultado emocionante unirá dois subcampos muito ativos da física da matéria condensada, isolantes topológicos e dichalcogenetos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.