Uma equipe de pesquisa da Universidade de Minnesota-Twin Cities sintetizou pela primeira vez um filme de material semimetálico topológico exclusivo que tem o potencial de produzir maior poder de computação e armazenamento de memória, ao mesmo tempo que reduz drasticamente o consumo de energia. Além disso, a equipe estudou o material cuidadosamente e obteve informações importantes sobre a física por trás de suas propriedades únicas.
A pesquisa foi publicada recentemente na revista Nature Communications.
Tal como evidenciado pela recente Lei CHIPS e Ciência nos Estados Unidos, há uma necessidade crescente de aumentar a produção de semicondutores e apoiar a investigação utilizada para desenvolver os materiais que alimentam dispositivos eletrónicos em todo o mundo. Embora os semicondutores tradicionais sejam a tecnologia por trás da maioria dos chips de computador atualmente, cientistas e engenheiros estão sempre em busca de novos materiais que possam produzir mais energia com menos para tornar a eletrônica melhor, menor e mais eficiente.
Um material candidato para esta nova classe de chips de computador aprimorados é uma classe de materiais quânticos chamados semimetais topológicos. Os elétrons nesses materiais se comportam de maneiras diferentes, conferindo aos materiais propriedades únicas não encontradas em isolantes e metais típicos usados em dispositivos eletrônicos. Portanto, esses materiais estão sendo explorados para uso em dispositivos spintrônicos. Os dispositivos spintrônicos são uma alternativa aos dispositivos semicondutores tradicionais que usam o spin dos elétrons em vez da carga elétrica para armazenar dados e processar informações.
No novo estudo, uma equipe de pesquisa interdisciplinar da Universidade de Minnesota sintetizou com sucesso esse material de película fina e demonstrou seu potencial de alto desempenho e baixo consumo de energia.
"Este estudo mostra pela primeira vez que é possível fazer a transição de um isolante topológico fraco para um semimetal topológico usando uma estratégia de dopagem magnética, "disse Jianping Wang, autor sênior do artigo, Distinto Professor da Universidade McKnight e Professor Catedrático Robert Hartmann no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota. “Estamos procurando maneiras de prolongar a vida útil dos dispositivos eletrônicos e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia, e estamos tentando usar métodos não tradicionais e não convencionais para atingir esse objetivo”.
Os pesquisadores estudam materiais topológicos há anos, mas a equipe da Universidade de Minnesota é a primeira a usar um processo de pulverização catódica patenteado e compatível com a indústria para criar este semimetal na forma de filme fino. Wang disse que, como seu processo é compatível com a indústria, a tecnologia poderia ser mais facilmente adotada e usada para fabricar dispositivos do mundo real.
"Usamos dispositivos eletrônicos todos os dias em nossas vidas, de telefones celulares a máquinas de lavar louça e fornos de micro-ondas. Todos eles usam chips. Tudo consome energia, "disse Andre Mkhoyan, autor sênior do artigo e professor de Engenharia Química e Ciência de Materiais Ray D. e Mary T. Johnson na Universidade de Minnesota. "A questão é: como minimizar o consumo de energia? Esta pesquisa é um passo nessa direção. Estamos desenvolvendo uma nova classe de materiais com propriedades semelhantes ou até melhores, mas com menor consumo de energia."
Como os pesquisadores criaram um material de alta qualidade, eles também puderam analisar cuidadosamente suas propriedades e o que o torna único.
"Do ponto de vista da física, uma das principais contribuições deste trabalho é que fomos capazes de estudar algumas das propriedades mais fundamentais deste material", disse Tony Low, autor sênior do artigo e professor associado Paul Palmberg no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota. "Normalmente, quando você aplica um campo magnético, a resistência longitudinal do material aumenta, mas neste material topológico em particular, previmos que a resistência longitudinal diminuiria. Conseguimos corroborar nossa teoria com dados de transporte medidos e confirmar que existe resistência negativa."
Por mais de uma década, Low, Mkhoyan e Wang têm colaborado em materiais topológicos para dispositivos e sistemas eletrônicos de próxima geração – pesquisas que não teriam sido possíveis sem a combinação de seus respectivos conhecimentos em teoria e computação, crescimento e caracterização de materiais e fabricação de dispositivos. “Estudar um tema tão importante e desafiador requer não apenas uma visão inspiradora, mas também muita paciência e um grupo de membros de equipe dedicados em quatro disciplinas, o que tornará possível a transição desta tecnologia do laboratório para a indústria”, disse Wang.