Pesquisadores da Chalmers University of Technology descobriram que o grafeno de grande área é capaz de preservar o spin do elétron por um período prolongado, e comunicá-lo a distâncias maiores do que se conhecia anteriormente. Isso abriu a porta para o desenvolvimento da spintrônica, com o objetivo de fabricar memória e processadores mais rápidos e com maior eficiência energética em computadores. Os resultados serão publicados na revista Nature Communications .

“Acreditamos que esses resultados atrairão muita atenção da comunidade de pesquisa e colocarão o grafeno no mapa para aplicações em componentes spintrônicos, "diz Saroj Dash, que lidera o grupo de pesquisa da Chalmers University of Technology.

Spintrônica é baseada no estado quântico dos elétrons, e a tecnologia já está sendo usada em discos rígidos avançados para armazenamento de dados e memória magnética de acessos aleatórios. Mas aqui a informação baseada no spin só precisa se mover alguns nanômetros, ou milionésimos de milímetro. Que sorte, porque o spin é uma propriedade dos elétrons que, na maioria dos materiais, tem vida útil extremamente curta e é frágil.

Contudo, há grandes vantagens em explorar o spin como um transportador de informações, ao invés de, ou além de cargas elétricas. Spintrônica pode tornar os processadores significativamente mais rápidos e com menos consumo de energia do que são hoje.

O grafeno é um candidato promissor para estender o uso da spintrônica na indústria eletrônica. O fino filme de carbono não é apenas um excelente condutor elétrico, mas também teoricamente tem a rara habilidade de manter os elétrons com o spin intacto.

"Em futuros componentes baseados em spin, espera-se que os elétrons sejam capazes de viajar várias dezenas de micrômetros com seus spins mantidos alinhados. Metais, como alumínio ou cobre, não tem capacidade para lidar com isso. O grafeno parece ser o único material possível no momento, "diz Saroj Dash.

Hoje, o grafeno é produzido comercialmente por algumas empresas usando uma série de métodos diferentes, todos em uma fase inicial de desenvolvimento.

Simplificando, você poderia dizer que o grafeno de alta qualidade só pode ser obtido em pedaços muito pequenos, enquanto o grafeno maior é produzido de uma forma que a qualidade é muito baixa ou tem outras desvantagens do ponto de vista da indústria eletrônica.

Mas essa suposição geral agora está sendo seriamente questionada pelas descobertas apresentadas pelo grupo de pesquisa em Chalmers. Eles conduziram seus experimentos usando grafeno CVD, que é produzido por deposição química de vapor. O método dá ao grafeno muitas rugas, rugosidade e outros defeitos.

Mas também tem vantagens:há boas perspectivas para a produção de grafeno de grandes áreas em escala industrial. O grafeno CVD também pode ser facilmente removido da folha de cobre na qual cresce e é levantado em uma pastilha de silício, que é o material padrão da indústria de semicondutores.

Embora a qualidade do material esteja longe de ser perfeita, o grupo de pesquisa agora pode mostrar parâmetros de spin que são até seis vezes maiores do que aqueles relatados anteriormente para o grafeno CVD em um substrato semelhante.

"Nossas medições mostram que o sinal de rotação é preservado em canais de grafeno que têm até 16 micrômetros de comprimento. A duração durante a qual as rotações permanecem alinhadas foi medida em mais de um nanossegundo, "diz o pesquisador de Chalmers, Venkata Kamalakar, que é o primeiro autor do artigo.

"Isso é promissor porque sugere que os parâmetros de centrifugação podem ser melhorados à medida que desenvolvemos o método de fabricação.

O fato de os pesquisadores estarem se concentrando em até que ponto a corrente de spin pode ser comunicada não deve ser considerado apenas o envio de informações em um novo material ou a substituição de metais ou semicondutores por grafeno. Em vez disso, o objetivo é uma maneira completamente nova de realizar operações lógicas e armazenar informações. Um conceito que, se bem sucedido, levaria a tecnologia digital um passo além da atual dependência de semicondutores.

"O grafeno é um bom condutor e não tem lacunas de banda. Mas, na spintrônica, não há necessidade de lacunas de banda para ligar e desligar, um e zero. Em vez disso, isso é controlado pelas orientações de spin para cima ou para baixo do elétron, "Saroj Dash explica.

Uma meta de curto prazo agora é construir um componente lógico que, não muito diferente de um transistor, é feito de grafeno e materiais magnéticos.

Se a spintrônica pode eventualmente substituir totalmente a tecnologia de semicondutores é uma questão em aberto, ainda há muita pesquisa. Mas o grafeno, com suas excelentes habilidades de condução de spin, é altamente provável que apareça neste contexto.

Fundo:

Isso é spin:

Spin é uma propriedade da mecânica quântica de partículas elementares, que entre outras coisas dá origem ao fenômeno do magnetismo. O giro pode ser direcionado para cima ou para baixo. Para os elétrons em uma corrente elétrica normal, o giro é distribuído aleatoriamente, e o fluxo não carrega nenhum sinal de rotação. Mas com a ajuda de ímãs, elétrons que são alimentados em um condutor podem ser polarizados, o que significa que todos eles têm seu giro direcionado para cima ou para baixo. Você pode comparar os elétrons a uma série de pequenas agulhas de bússola, todos apontando para norte ou sul. O desafio é manter esse estado por tempo suficiente e em distâncias suficientemente longas.

Por que o spin funciona no grafeno:

O spin dos elétrons pode ser facilmente perturbado por fatores ambientais. Os átomos e suas estruturas cristalinas no material condutor têm um campo elétrico, que é percebido como um campo magnético pelos elétrons passando. Mas, como o carbono é um átomo leve com apenas seis prótons dispostos em uma estrutura hexagonal simétrica, esta interferência magnética será muito limitada.

O spin interno em um núcleo atômico também é uma fonte potencial de interferência. Mas o spin líquido do núcleo é insignificante, como a maioria dos átomos de carbono são do isótopo C12, com tantos nêutrons quanto prótons.

Três maneiras de produzir grafeno:

Os ganhadores do Prêmio Nobel Geim e Novoselov fabricaram grafeno a partir de grafite usando fita adesiva comum. Métodos semelhantes são usados ​​hoje para produzir grafeno de alta qualidade. Mas as peças são pequenas. A empresa Graphensic, criado por pesquisadores da Swedish Linköping University, fabrica grafeno de grande área que é "cultivado" a partir de um substrato de carboneto de silício.

Na Chalmers University of Technology, o grafeno de grande área é produzido usando o método de deposição de vapor químico (CVD). Para o estudo em Nature Communications , os pesquisadores usaram grafeno CVD adquirido da empresa Graphenea na Espanha.