p Preparar o sanduíche em nanoescala perfeito com ingredientes à base de oxigênio não foi fácil. p Mas com a ajuda de dois físicos de Nebraska, uma equipe internacional de pesquisadores finalmente conseguiu - encerrando uma busca de quase 15 anos para observar um fenômeno que poderia ajudar a energizar e miniaturizar uma futura geração de eletrônicos.

p Em 2004, os pesquisadores observaram um gás de elétrons correndo bidimensionalmente através de um nano-sanduíche feito de óxidos:compostos químicos contendo átomos de oxigênio. Essa demonstração de um gás de elétron 2-D sinalizou a promessa de confinar a corrente elétrica a espaços menores e, por sua vez, encolhendo componentes eletrônicos em escalas menores.

p Ainda assim, o elétron carregado negativamente tem uma contrapartida - um "buraco" carregado positivamente que deixa para trás ao ejetar de sua órbita ao redor de um átomo. Assim, os físicos começaram a criar e observar um gás de buraco 2-D que da mesma forma atua como uma fonte de corrente elétrica.

p Conforme detalhado no jornal Materiais da Natureza , pesquisadores da University of Wisconsin-Madison e da University of Nebraska-Lincoln lideraram o caminho para a realização da tão desejada façanha. Isso exigiu vários anos de aperfeiçoamento dos ingredientes e da preparação. Evgeny Tsymbal e Tula Paudel, de Nebraska, informaram o último executando cálculos e modelagem baseados em teoria por meio do Holland Computing Center da universidade.

p A receita em si parecia bastante simples. Para produzir um gás de elétron 2-D, pesquisadores haviam previamente empilhado uma camada de óxido carregada positivamente em uma base neutra, descobrindo que os elétrons carregados negativamente se aglomeraram para baixo no espaço nanoscópico entre os dois. Ao adicionar uma camada carregada negativamente no topo da fatia positiva, em seguida, cobrindo o nano-sanduíche com outra camada neutra, os pesquisadores esperavam ver buracos carregados positivamente imitando esse comportamento, migrando para cima para formar seu próprio gás 2-D.

p Eles resistiram. Porque? Os átomos de oxigênio estavam abandonando seus postos, e suas vagas carregadas positivamente - inúteis para produzir corrente elétrica - impediam que os buracos subissem.

p "Observamos as diferentes concentrações de vacâncias de oxigênio, as diferentes posições desses defeitos, e como o comportamento muda (como resultado), "disse Tsymbal, Professor de Física e Astronomia da George Holmes University.

p A equipe descobriu que poderia escapar com alguns átomos de oxigênio ausentes, desde que aqueles no meio da ação conseguissem se manter estáveis.

p "O posicionamento é importante, "disse Paudel, um professor assistente de pesquisa que realizou a maioria dos cálculos. "Você não quer as vagas de oxigênio perto da região onde você deveria ter um gás de buraco bidimensional."

p Essas percepções, combinado com especificações precisas para a espessura de cada fatia no nano-sanduíche, experimentos guiados ocorrendo em Wisconsin. Ao construir essas fatias átomo por átomo - mais fácil feito com óxidos do que muitas outras classes de materiais - e fabricar o material em um pressurizado, ambiente rico em oxigênio que minimizou as vagas, os pesquisadores de Wisconsin conseguiram produzir e caracterizar o gás de buraco 2-D.

p Por décadas, engenheiros fabricaram a maioria dos componentes eletrônicos de materiais semicondutores, como silício, o burro de carga da indústria.

p "O problema é que estamos nos aproximando de limites fundamentais, "disse Tsymbal, diretor do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais de Nebraska. "Em algum momento (em breve), abordaremos certos limites além dos quais não podemos continuar (seguindo) o roteiro de semicondutores da maneira que fazíamos antes. Portanto, precisamos mudar conceitualmente a maneira como nossos dispositivos operam. "

p Um desses limites é o espaço. A corrida para empinar mais funcionalidade - memória, por exemplo, em dispositivos cada vez mais minúsculos deixou os engenheiros olhando para óxidos e outros materiais que, quando combinados, pode espremer a condutividade no mais apertado dos limites. O novo estudo aproveitou um óxido chamado titanato de estrôncio - o que Tsymbal descreveu como o "silício da eletrônica do óxido" - para conseguir isso.

p "A vantagem aqui é que o confinamento - a espessura desse elétron bidimensional ou gás de buraco - é muito menor em comparação com o que você tem em semicondutores, - disse Tsymbal. - Em vez de, por exemplo, dezenas de nanômetros, podemos confiná-lo a um nanômetro. Então, em princípio, podemos tornar os dispositivos muito menores em comparação com os da eletrônica de semicondutores. "

p Embora o titanato de estrôncio e seus irmãos de óxido geralmente não exibam magnetismo por conta própria, eles às vezes fazem quando combinados. Eles até mostram o potencial de supercondutividade - corrente elétrica que flui sem qualquer resistência - e outras propriedades que atraem engenheiros elétricos e de computação.

p Como teóricos, Tsymbal e Paudel estão interessados ​​nos fenômenos que podem surgir de elétrons 2-D e gases vazios fluindo em paralelo através do mesmo material. Entre eles:o emparelhamento de elétrons e buracos em excitons semelhantes a partículas que se comportam de maneira diferente como um grande coletivo do que sozinhos.

p "Óxidos que ostentam esses gases 2-D complementares podem agora começar a servir como laboratórios nanoscópicos para criar e estudar uma nova física, "Disse Paudel.

p Como esses fenômenos podem eventualmente ser aplicados permanece uma questão em aberto, Tsymbal disse, mas vale a pena explorar.

p "Quando os pesquisadores começaram a trabalhar em semicondutores, há mais de 60 anos, ninguém sabia que eles se tornariam fundamentais para a tecnologia moderna, - disse Tsymbal. - Neste ponto, óxidos eletrônicos estão no nível de pesquisa fundamental, por isso é difícil prever para onde irão.

p "Mas você pode controlar interfaces de óxido com extrema precisão. Depois de ter isso, você pode fazer algo semelhante ao que os semicondutores alcançam - mas talvez também algo mais. "