Eletrônica

Cientistas prevêem novo estado da matéria em semicondutores

Cientistas prevêem novo estado da matéria em semicondutores
O novo estado da matéria poderá abrir caminho para a fabricação de dispositivos eletrônicos que consomem menos energia e dissipam menos calor. [Imagem: Science]

Novo estado da matéria

A matéria convencional existe em três estados bastante familiares: sólido, líquido e gasoso. Mas, sob condições especiais, a teoria quântica prevê estados exóticos da matéria, como os supercondutores, nos quais os elétrons fluem sem resistência ou o condensado de Bose-Einstein, no qual os átomos se movimentam coletivamente, como se fossem um só.

Agora, três físicos da Universidade de Stanford divulgaram uma nova teoria que prevê a existência de um novo estado da matéria que poderá abrir caminho para a fabricação de dispositivos eletrônicos que consomem menos energia e dissipam menos calor.

"Procurar por novos estados da matéria tornou-se o cálice sagrado da física da matéria condensada, da mesma forma que a busca por novos elementos domina a química e a busca por novas partículas subatômicas domina a física das partículas," explica o professor Shoucheng Zhang.

Efeito Hall quântico

Zhang, juntamente com Taylor Hughes e Andrei Bernevig, propôs a existência de um estado chamado de "spin Hall quântico," que deverá possuir propriedades extraordinárias.

O estado Hall quântico (sem o spin) já é conhecido e pode ser testado empiricamente. Imagine duas folhas de material semicondutor separadas por um gás. Sob determinadas condições, esse "sanduíche" não permitirá que a corrente flua ao longo de toda a superfície das folhas, ficando confinada em suas bordas. Essas condições especiais incluem uma temperatura abaixo de 1 Kelvin e um campo magnético cerca de 10.000 vezes maior do que o campo magnético da Terra.

"Esta propriedade permitiu a extraordinária observação da voltagem Hall quantizada medida na direção perpendicular do fluxo da corrente," explica Zhang. Já na eletrônica convencional a corrente flui na mesma direção que a voltagem aplicada, e a resistência assume valores arbitrários ou não quantizados. Isto significa que haverá uma grande dissipação de energia.

Para se ter uma idéia da importância da observação desse efeito Hall quântico, ele rendeu os prêmios Nobel de 1985 e 1998. Para entender mais, veja Descoberto novo fenômeno físico: o Efeito Spin-Hall.

Spin Hall quântico

O que Zhang e seus colegas agora propuseram é que é possível gerar um novo estado - o efeito spin Hall quântico - sem a aplicação do campo magnético externo. Eles previram que empilhando-se e inclinando-se camadas alternadas de telureto de mercúrio e telureto de cádmio criará uma rede cristalina similar à dos semicondutores silício e arseneto de gálio.

Segundo os pesquisadores, controlando-se a espessura dos poços quânticos no telureto de mercúrio, o resultado será uma transição de fase quântica para um novo estado que é distinto daquele dos estados semicondutores tradicionais.

A baixas temperaturas, os semicondutores tornam-se isolantes. Sob condições normais, eles transformam-se em condutores por meio de um processo chamado dopagem, no qual pequenas quantidades de material rico em elétrons ou lacunas são adicionadas ao semicondutor.

Mas a matéria no estado spin Hall quântico poderá conduzir correntes elétricas sem qualquer dopagem. Da mesma forma que no efeito Hall quântico, essa corrente deverá fluir apenas nas bordas da amostra.

Sentido da corrente

Mas há algo mais interessante.

Os elétrons que estiverem com seus spins apontados para cima fluirão num sentido, enquanto os elétrons que estiverem com seus spins apontados para baixo fluirão no sentido contrário.

Como as impurezas normalmente não alteram a orientação dos spins, elas não conseguem facilmente dirigir os elétrons na direção oposta, o que leva a uma grande dissipação de energia na forma de geração de calor.

Nem bem o artigo foi publicado com a nova teoria e vários grupos já demonstraram interesse em testá-la empiricamente. Embora seu funcionamento deva se dar a temperaturas criogênicas, o novo comportamento eletrônico poderá inspirar os pesquisadores na fabricação de novos componentes que funcionem a temperatura ambiente.

Bibliografia:

Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in HgTe Quantum Wells
B. Andrei Bernevig, Taylor L. Hughes, Shou-Cheng Zhang
Science
15 December 2006
Vol.: 314 no. 5806 pp. 1757-1761
DOI: 10.1126/science.1133734




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