Semicondutor mais rápido do mundo promete acelerar muito toda a computação

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/10/2023

A velocidade dos elétrons no novo semicondutor é seis ordens de magnitude maior do que no silício.
[Imagem: Pexels/Pixabay]

Semicondutor melhor do que o silício

Todas as nossas tecnologias são baseadas em materiais chamados semicondutores, uma família em que o silício reina soberano.

Mas isto não significa que o silício seja o semicondutor perfeito - por exemplo, ele tem o mau hábito de esquentar muito, desperdiçando muita energia e exigindo baterias grandes para os aparelhos móveis.

A estrutura atômica de qualquer material vibra, o que cria fônons, as partículas quânticas responsáveis pela condução do som e do calor. Os fônons, por sua vez, fazem com que outras partículas, elétrons ou pares elétrons-lacunas chamados éxcitons, que transportam energia e informações nos circuitos eletrônicos, se dispersem em questão de nanômetros em termos espaciais e de femtossegundos em termos temporais. Isto significa que a energia se perde sob a forma de calor e que a transferência de informação tem um limite de velocidade.

Jakhangirkhodja Tulyagankhodjaev e colegas da Universidade de Colúmbia, nos EUA, sintetizaram agora um novo semicondutor que faz muito mais do que apenas ter um desempenho melhor do que o nosso querido silício - ele apresentou um desempenho que o torna o semicondutor mais rápido e mais eficiente que se conhece.

Seu nome: Re₆Se₈Cl₂, um material superatômico formado pelos elementos rênio, selênio e cloro.

Superátomos são aglomerados de átomos unidos que se comportam como um grande átomo, mas com propriedades diferentes das dos elementos usados para construí-los.

O material é superatômico, em que aglomerados de átomos se comportam de modo diferente dos átomos individuais.
[Imagem: Tulyagankhodjaev et al. - 10.1126/science.adf2698]

Semicondutor mais rápido do mundo

Em vez de se dispersarem quando entram em contato com fônons, os éxcitons no Re₆Se₈Cl₂ na verdade se ligam a esses fônons, criando novas quasipartículas chamadas éxciton-polarons acústicos. Embora os polarons tenham sido encontrados em muitos materiais depois que foram visualizados pela primeira vez, em 2016, os polarons do Re₆Se₈Cl₂ têm uma propriedade especial: Eles são capazes de fluxo balístico, ou livre de dispersão.

Esse comportamento balístico significa que, se o material suportar o caminho até as aplicações em escala industrial, será possível fabricar circuitos eletrônicos muito mais rápidos e mais energeticamente eficientes do que qualquer coisa disponível hoje.

Nos experimentos realizados pela equipe, os éxcitons-polarons acústicos no Re₆Se₈Cl₂ moveram-se duas vezes mais rápido do que os elétrons no silício e cruzaram vários micrômetros da amostra em menos de um nanossegundo. Dado que os polarons podem durar cerca de 11 nanossegundos, a equipe acredita que os éxcitons-polarons podem cobrir mais de 25 micrômetros num impulso só.

E, como essas quasipartículas são controladas por pulsos de luz, e não por uma corrente elétrica, as velocidades de processamento em dispositivos teóricos têm o potencial de atingir a casa dos femtossegundos (10^-15 segundo), o que é seis ordens de magnitude (10⁶) mais rápido do que os nanossegundos (10^-9 segundo) alcançáveis na atual eletrônica gigahertz. E tudo em temperatura ambiente.

Como o novo semicondutor é muito caro, não se pode esquecer que há outros materiais superiores ao silício, e até ao grafeno.
[Imagem: EPFL]

Pode melhorar, mas é caro

As novas quasipartículas são rápidas, mas, de forma contraintuitiva, elas atingem essa velocidade porque, por si sós, andam muito lentamente - um pouco como a história da tartaruga e da lebre, em que a persistência vence a velocidade de arrancada.

O que torna o silício um semicondutor desejável é que os elétrons podem se mover através dele muito rapidamente - mas, como a proverbial lebre, eles saltam demais e na verdade não chegam muito longe ou muito rapidamente ao final. Os éxcitons no Re₆Se₈Cl₂, por sua vez, são comparativamente muito mais lentos. Mas é precisamente porque eles são tão lentos que são capazes de se encontrar e emparelhar com os fônons acústicos, igualmente lentos. As quasipartículas resultantes são "pesadas" e, como a tartaruga, avançam lenta, mas continuamente. Sem serem impedidos por outros fônons ao longo do caminho, os éxcitons-polarons acústicos no Re₆Se₈Cl₂ se movem mais rápido que os elétrons no silício e chegam muito mais longe.

Como muitos dos materiais quânticos emergentes, o novo semicondutor super-rápido pode ser descascado em folhas monoatômicas, uma característica que significa que ele pode potencialmente ser combinado com outros materiais semelhantes em busca por propriedades únicas adicionais.

No entanto, é improvável que o Re₆Se₈Cl₂ chegue a um produto comercial - o primeiro elemento da molécula, o rênio, é um dos mais raros da Terra e, como resultado, extremamente caro. Por conta disso, a equipe pretende usar o que aprendeu com o semicondutor ultrarrápido para encontrar outros materiais superatômicos que façam o mesmo por um preço menor.

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