Brasileiros propõem transístor com materiais isolantes inovadores

Com informações do Jornal da USP - 25/04/2019

Os isolantes topológicos são materiais cuja simetria impede que os elétrons se espalhem.
[Imagem: Carlos Mera Acosta]

Transístor mais eficiente

Pesquisadores do Instituto de Física da USP e do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) estão propondo um novo tipo de transístor que promete consumir menos energia e esquentar menos.

Em lugar dos semicondutores tradicionais, o novo transístor é feito com materiais que canalizam o fluxo da corrente e impedem sua dispersão, o que possibilita controlar a direção das partículas de energia por meio da geração de campos elétricos.

No futuro, o uso deste método poderá tornar os transístores menores e mais rápidos, desperdiçando menos energia e melhorando o desempenho dos computadores, afirmam Carlos Mera Acosta e Adalberto Fazzio.

Segundo eles, os transístores atuais apresentam alguns problemas que limitam seu desempenho. "Durante a passagem da corrente elétrica, há muitas colisões dos elétrons que a formam com outras partículas dos átomos. Isso leva a uma considerável perda de energia, na forma de calor," explica Carlos.

Além disso, quando as dimensões do componente são muito reduzidas, os eletrodos ficam muito próximos e ocorre um fenômeno chamado tunelamento quântico. "Isso quer dizer que os elétrons encontram um caminho com dimensões extremamente reduzidas, que não permite bloquear a corrente, inviabilizando o funcionamento do dispositivo."

Spintrônica com isolantes topológicos

Para tentar resolver esses problemas, a dupla foi parar na confluência de duas das áreas mais quentes da pesquisa atual em busca de uma era pós eletrônica: a spintrônica e os isolantes topológicos.

"Existe uma propriedade dos elétrons chamada de spin. Ela é um movimento magnético que pode ser orientado em várias direções. Alguns materiais possuem uma simetria que obriga os elétrons a seguir direções específicas. Assim, o movimento para cima ou para baixo, direcionado por campos elétricos, substituiria o '0' e o '1'," explica Carlos, referindo-se aos princípios da spintrônica.

Um mineral brasileiro está liderando a nova onda tecnológica dos isolantes topológicos.
[Imagem: Fiorien Bonthuis/Adaptado de Cabral et al.]

Os isolantes topológicos são materiais cuja simetria impede que os elétrons se espalhem - o conceito rendeu o Nobel de Física em 2016. Com base nos estudos desses materiais, outros dois físicos, Charles Kane e Eugene Mele, propuseram um isolante topológico com superfície metálica (que conduz energia) e interior isolante.

Carlos e Adalberto trabalharam então com um cristal binário de sódio e bismuto (Na₃Bi), que ainda possui duas simetrias, a de reversão temporal e a de espelho. "Quando o campo elétrico é aplicado, a simetria de espelho é rompida e permite selecionar o spin. Ao mesmo tempo, a simetria de reversão temporal se mantém e impede a dispersão dos elétrons e a perda de energia," explica Carlos.

Roteiro para construção do transístor

O resultado do trabalho é um modelo de transístor que pode tirar proveito de todas essas características.

"Como esse campo elétrico [que quebra a simetria de espelho] preserva a proteção topológica de reversão do tempo, propomos um modelo de transístor usando a direção de spin dos estados de borda protegidos [funcionando] como uma chave," escreve a dupla.

"Os dispositivos spintrônicos seriam muito mais rápidos que os atuais, bem menores e sem perda de energia," acrescentou Carlos.

A expectativa agora é que os experimentalistas usem o roteiro teórico criado pela dupla e produzam os primeiros protótipos para os testes iniciais.

"Entre a proposta teórica e sua aplicação em produtos há um longo caminho de testes, que devem levar alguns anos. No entanto, o modelo possibilita a realização experimental. Ele envolve campos elétricos pequenos, fáceis de serem produzidos, e sugere a utilização de um material já existente para construir o dispositivo," finalizou o físico.

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