Físicos trabalham para encolher microchips com o primeiro sistema de modelo de hélio unidimensional
Adsorção e estrutura dentro de nanoporos. um Círculos cinza escuro ilustram o comportamento de adsorção de
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Ele a 4,2 K em MCM-41 pré-chapeado com uma monocamada de gás Ar à medida que a pressão aumenta. Aqui P 0 é a pressão de vapor de equilíbrio em massa de
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Ele. As estrelas coloridas indicam os recheios onde a conclusão de
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As camadas He ocorrem com as imagens inseridas de chamada mostrando configurações quânticas de Monte Carlo de uma seção transversal de MCM-41 com uma camada de Ar equilibrada (esferas cinza claro) em P /P 0 = 0 e as camadas de desenvolvimento de
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He (1 camada a 3 camadas mais o núcleo central) à medida que a pressão aumenta. Aqui o Ar é representado como uma casca cilíndrica para maior clareza. O diamante roxo claro indica o preenchimento no qual as medições experimentais de espalhamento inelástico de nêutrons foram realizadas em Q em = 4.0 Å
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correspondendo a poros completamente preenchidos. b Resultados quânticos de Monte Carlo com barras de erro estocásticas agrupadas para a densidade de número radial de átomos ρ rad (r ) dentro de nanoporos em T = 1.6 K onde os experimentos de espalhamento foram realizados. As cores correspondem às frações de preenchimento com estrela em a . À medida que a pressão aumenta, o
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Os átomos de He formam uma série de camadas concêntricas, com a densidade das camadas externas também aumentando. Crédito:Comunicação da Natureza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30752-3
Físicos da Universidade de Indiana e da Universidade do Tennessee decifraram o código para tornar os microchips menores, e a chave é o hélio.
Os microchips estão por toda parte, executando computadores e carros e até ajudando as pessoas a encontrar animais de estimação perdidos. À medida que os microchips ficam menores, mais rápidos e capazes de fazer mais coisas, os fios que conduzem eletricidade a eles devem seguir o exemplo. Mas há um limite físico para o quão pequeno eles podem se tornar – a menos que sejam projetados de forma diferente.
"Em um sistema tradicional, à medida que você coloca mais transistores, os fios ficam menores", disse Paul Sokol, professor do Departamento de Física da IU Bloomington College of Arts and Sciences. “Mas sob sistemas recém-projetados, é como confinar os elétrons em um tubo unidimensional, e esse comportamento é bem diferente de um fio comum”.
Para estudar o comportamento das partículas nessas circunstâncias, Sokol colaborou com um professor de física da Universidade do Tennessee, Adrian Del Maestro, para criar um sistema modelo de eletrônica embalado em um tubo unidimensional.
Suas descobertas foram publicadas recentemente em
Nature Communications .
A dupla usou hélio para criar um sistema modelo para seu estudo porque suas interações com os elétrons são bem conhecidas e podem ser extremamente puras, disse Sokol. No entanto, houve problemas com o uso de hélio em um espaço unidimensional, sendo o primeiro que ninguém nunca havia feito isso antes.
"Pense nisso como um auditório", disse Sokol. "As pessoas podem se movimentar de muitas maneiras diferentes. Mas em um corredor longo e estreito, ninguém pode passar por ninguém, então esse comportamento se torna diferente. Estamos explorando esse comportamento em que todos estão confinados em fila. A grande vantagem de usando um modelo de hélio é que podemos passar de ter muito poucas pessoas no salão para tê-lo embalado. Podemos explorar toda a gama de física com este sistema, o que nenhum outro sistema nos permite fazer."
A criação de um sistema de modelo de hélio unidimensional também apresentou muitos outros desafios para os pesquisadores. Se eles tentassem fazer um tubo pequeno o suficiente para conter o hélio, por exemplo, era muito difícil fazer medições.
Também era impossível usar técnicas como espalhamento de nêutrons, um método poderoso que envolve o uso de um reator ou acelerador que gera um feixe de nêutrons para obter informações detalhadas sobre o comportamento das partículas em um sistema unidimensional.
Por outro lado, eles podiam fazer tubos muito longos usando vidros especializados cultivados em torno de moléculas modeladas, mas os buracos não eram grandes o suficiente para confinar o hélio a uma dimensão.
"Você literalmente precisa fazer um tubo com apenas alguns átomos de largura", disse Del Maestro. "Nenhum líquido normal fluiria através de um tubo tão estreito, pois o atrito o impediria."
Para resolver esse desafio, a equipe fez a nanoengenharia de um material pegando vidros que possuem canais unidimensionais e os revestindo com argônio para revestir a superfície e criar um canal menor. Eles poderiam então fazer amostras que conteriam muito hélio e apoiar o uso de técnicas como espalhamento de nêutrons para obter informações detalhadas sobre o sistema.
Com a realização experimental do hélio unidimensional, Del Maestro e Sokol abriram um novo e importante caminho para esta pesquisa.
Em seguida, a equipe planeja usar esse novo sistema modelo para estudar o hélio em altas densidades - comparáveis aos elétrons em um fio fino - e baixas densidades - comparáveis a matrizes unidimensionais de átomos usados na ciência da informação quântica.
Eles também planejam desenvolver outros materiais de nanoengenharia, como poros revestidos de césio, onde o hélio não molha a superfície do césio. Isso reduziria ainda mais as interações do hélio confinado com o mundo exterior e forneceria um sistema mais ideal para desafiar novas teorias.
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