Foi necessário um projeto de construção em nanoescala semelhante aos muito maiores que pontuam as rodovias de Nebraska, mas o físico Xia Hong agora está direcionando o tráfego aleatório de elétrons bem o suficiente para analisá-lo - e, na estrada, colocá-lo em uso na tecnologia de última geração.

Hong e seus colegas da University of Nebraska-Lincoln dedicaram os últimos anos a estudar o que acontece, e o que pode ser alcançado, ao depositar materiais nanoscopicamente finos um sobre o outro. Ela tem estado ocupada cobrindo camadas atômicas de semicondutores - que conduzem eletricidade melhor do que isoladores, mas não tão bem quanto metais - com ferroelétricos, cujo alinhamento de cargas positivas e negativas, ou polarização, pode ser comutado instantaneamente aplicando um campo elétrico a eles.

Usando a abordagem, Hong já induziu todos os tipos de interessantes, tecnologicamente atraente e, talvez o melhor de tudo, fenômenos reconfiguráveis ​​nos semicondutores subjacentes. Em um novo estudo, sua equipe colocou uma camada de polímero ferroelétrico sobre um semicondutor conhecido como dissulfeto de rênio. Pesquisas anteriores sugeriram que o dissulfeto de rênio possui uma propriedade valiosa:a capacidade de transportar elétrons, ou conduzir eletricidade, muito mais prontamente em algumas direções do que em outras. Essa qualidade, conhecido como anisotropia, dá aos engenheiros elétricos um controle muito maior e necessário sobre o fluxo de corrente elétrica.

Mas, na verdade, medindo, investigar e manipular o fenômeno provou ser difícil, em parte devido ao fato de que os elétrons que percorrem até mesmo a fatia mais fina do dissulfeto de rênio são suscetíveis a golpes laterais ou T-bone uns aos outros.

A solução de Hong? Trave a polarização do polímero sobreposto e efetivamente transforme o semicondutor subjacente em um isolante que resistiu ao fluxo de eletricidade. Então, inverta a polarização do polímero - mas apenas em uma fita de 300 nanômetros de largura que corta o material ferroelétrico sobreposto. O resultado:um fino, nanofio condutor na camada isolante de dissulfeto de rênio abaixo dele. Ou, como Hong descreveu, uma estrada solitária para elétrons em meio a um deserto intransponível.

Com o tráfego de elétrons confinado apenas a esse caminho, Hong e seus colegas Husker estavam prontos para estudar seu fluxo com níveis de precisão sem precedentes. Quando eles fizeram, eles descobriram que a condutividade do dissulfeto de rênio depende, em um grau extraordinário, na orientação do próprio caminho.

Se esse caminho for quase paralelo a um eixo definido pelo arranjo dos átomos no material, ele conduz eletricidade quase tão bem quanto um metal. Se o caminho for perpendicular a esse eixo, no entanto, a condutividade cai vertiginosamente. Na verdade, a diferença dependente do ângulo na condutividade - sua anisotropia - é de cerca de 5, 000 vezes maior do que qualquer relatado em 2D, configuração controlada ferroelétrica até o momento.

"Então, usamos essa técnica muito especial para confirmar, pela primeira vez, que a anisotropia é enorme, "disse Hong, professor associado de física e astronomia em Nebraska.

Surpreendentemente, Hong disse, a anisotropia era maior quando medido em dissulfeto de rênio que tinha quatro camadas atômicas de espessura. Foi também na versão de quatro camadas que as medições de sua equipe se alinharam mais de perto com as previsões teóricas fornecidas por Evgeny Tsymbal, George Holmes University Professor de física e astronomia.

Parte do motivo? Adicionar algumas camadas subtraiu alguma complexidade, Hong disse. Vários fatores podem influenciar a anisotropia no dissulfeto de rênio de camada única. Mas a extrema diferença de condutividade na versão de quatro camadas pode ser prevista apenas por sua estrutura de banda chamada:quantos elétrons podem preencher um nível de energia que lhes permite começar a migrar e, ao fazê-lo, conduzir corrente elétrica. Essa banda de energia se achata em certas direções conforme as camadas são adicionadas, os pesquisadores concluíram, produzindo mais congestionamentos entre elétrons e aumentando as diferenças direcionais na condutividade.

"A maioria das pessoas tende a se concentrar em uma monocamada, "Hong disse." Mas nós encontramos, na realidade, que é o material de poucas camadas que é mais interessante. "

Hong disse que conhecimento, e a magnitude do próprio efeito, poderia tornar o dissulfeto de rênio especialmente útil para a fabricação de lentes que focalizam os elétrons da mesma forma que as lentes ópticas fazem os raios de luz. As lentes de elétrons ajudam a produzir imagens de alta resolução de objetos nanoscópicos que não podem ser resolvidos com luz.

"Este material tem, intrinsecamente, a capacidade de fazer os elétrons se moverem efetivamente apenas em uma direção, "Hong disse." Então podemos usar isso como um bloco de construção para essas lentes. "

Sua anisotropia, combinado com outras propriedades inerentes à composição atômica do dissulfeto de rênio, também pode posicionar o material como um playground frutífero para gerar e controlar uma gama de fenômenos muito mais ampla do que a maioria dos materiais pode reivindicar, Hong disse.

"Eu acho que isso é um material, " ela disse, "em que você poderia hospedar magnetismo ou supercondutividade, por exemplo.

"Achamos que é um ponto de partida. Então, queremos usar isso como um material de hospedagem e, provavelmente com alguma manipulação, aprender a ativar e desativar esses fenômenos. "

Os pesquisadores relataram suas descobertas no jornal Cartas de revisão física .