Um estudo que mostra como os elétrons fluem em torno de curvas acentuadas, como as encontradas em circuitos integrados, tem o potencial de melhorar a forma como esses circuitos, comumente usados ​​em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, são projetados.



Sabe-se teoricamente há cerca de 80 anos que, quando os elétrons viajam em curvas, eles tendem a aquecer porque suas linhas de fluxo são comprimidas localmente. Até agora, no entanto, ninguém havia medido o calor, para o qual é necessário primeiro obter imagens das linhas de fluxo.

A equipe de pesquisa, liderada por Nathaniel M. Gabor, da Universidade da Califórnia, em Riverside, imaginou linhas de corrente elétrica projetando um "eletrofólio", um novo tipo de dispositivo que permite a contorção, compressão e expansão de linhas de corrente elétricas. da mesma forma, as asas de um avião contorcem, comprimem e expandem o fluxo de ar.

“A carga elétrica se move de forma semelhante à forma como o ar flui sobre a superfície da asa de um avião”, disse Gabor, professor de física e astronomia. "Embora seja fácil imaginar o fluxo de ar usando, digamos, fluxos de fumaça ou vapor em um túnel de vento, como costuma ser visto em comerciais de automóveis, imaginar as linhas de corrente das correntes elétricas é muito mais difícil."

Gabor disse que a equipe combinou imagens a laser com novos dispositivos sensíveis à luz para obter as primeiras imagens de fluxos de fotocorrentes por meio de um dispositivo funcional. Uma fotocorrente é uma corrente elétrica induzida pela ação da luz.

"Se você souber como os elétrons estão fluindo, poderá saber como evitar que eles causem efeitos deletérios, como o aquecimento do circuito", disse Gabor. "Com a nossa técnica, agora você pode avaliar exatamente onde e como os elétrons estão fluindo, dando-nos uma ferramenta poderosa para visualizar, caracterizar e medir o fluxo de carga em dispositivos optoeletrônicos."

O artigo de pesquisa é intitulado "Mapeando as linhas de fotocorrente intrínsecas através de dispositivos de heteroestrutura micromagnética" e aparece no Proceedings of the National Academy of Sciences. .

Gabor explicou que quando os elétrons ganham energia cinética, eles aquecem. Em última análise, eles aquecem o material ao seu redor, como fios que podem derreter.

“Se você tiver um pico de calor no seu computador, seus circuitos começarão a morrer”, disse ele. “É por isso que, quando nossos computadores superaquecem, eles desligam. É para proteger circuitos que podem ser danificados por causa de todo o calor dissipado nos metais.”

A equipe de Gabor projetou os eletrofólios no laboratório como pequenas asas em dispositivos em nanoescala que fazem os elétrons fluírem ao seu redor, semelhante à forma como as moléculas de ar fluem ao redor da asa de um avião.

“Queríamos um formato que pudesse nos proporcionar diferentes taxas de rotação, algo com uma curvatura contínua”, disse Gabor.

“Inspiramo-nos nas asas dos aviões, que têm uma curva gradual. Forçamos a corrente a fluir em torno do eletrofólio, que oferece diferentes ângulos de voo. , estamos começando a descobrir que os elétrons se comportam como líquidos. Portanto, em vez de projetar dispositivos baseados, digamos, em resistência elétrica, podemos adotar uma abordagem tendo em mente o encanamento e projetar tubulações para os elétrons fluirem.

Em seus experimentos, Gabor e seus colegas usaram um método de microscopia que emprega um campo magnético rotativo uniforme para gerar imagens de linhas de fotocorrente através de dispositivos ultrafinos feitos de uma camada de platina sobre granada de ferro ítrio, ou YIG. YIG é um isolante, mas permite um efeito de campo magnético quando uma fina camada de platina é colada nele.

“O efeito do campo magnético aparece apenas na interface deste cristal granada e da platina”, disse Gabor. "Se você pode controlar o campo magnético, você controla a corrente."

Para gerar uma fotocorrente na direção desejada, os pesquisadores direcionaram um feixe de laser no YIG, com o laser servindo como fonte de calor local. Um efeito conhecido como “efeito foto-Nernst” gera a fotocorrente cuja direção é controlada pelo campo magnético externo.

"A imagem direta para rastrear fluxos de fotocorrentes em dispositivos optoeletrônicos quânticos continua sendo um desafio importante na compreensão do comportamento de dispositivos exóticos", disse Gabor. "Nossos experimentos mostram que a microscopia simplificada por fotocorrente é uma nova ferramenta experimental robusta para visualizar uma fotocorrente em materiais quânticos. Esta ferramenta nos ajuda a observar como os elétrons se comportam mal."

Gabor explicou que é bem sabido que os elétrons se comportam de “formas estranhas” sob condições específicas, especialmente em dispositivos muito pequenos.

"Nossa técnica agora pode ser usada para estudá-los melhor", disse ele. "Se eu estivesse tentando projetar um circuito integrado e quisesse saber onde o calor pode se originar nele, eu gostaria de saber onde as linhas de fluxo de corrente estão sendo comprimidas. Nossa técnica pode ajudar a projetar circuitos e estimar o que evitar e sugere que você deveria não ter curvas acentuadas em seus fios. Os fios devem ser curvados gradualmente, mas esse não é o estado da arte no momento.

Mais informações: David Mayes et al, Mapeando as linhas de fotocorrente intrínsecas através de dispositivos de heteroestrutura micromagnética, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2221815120
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Universidade da Califórnia - Riverside