Isolantes Topológicos em Eletrônica

Prévia do material em texto

1/3
Isoladores topológicos podem exaltar um novo futuro para a
eletrônica
|
Candidatos promissores para futuros eletrônicos eficientes, os pesquisadores estão explorando esses
materiais exóticos para melhor memória de computador, discos rígidos e até mesmo computadores
quânticos.
Estudos experimentais de partículas e átomos elementares, bem como a aplicação da mecânica
quântica para descrever seu comportamento, revolucionaram nossa compreensão da estrutura da
matéria e levaram a taxas sem precedentes de progresso técnico no século XX.
Mesmo a menor das diferenças entre a forma como vários tipos de átomos e moléculas interagem
podem levar a propriedades muito diferentes em materiais a granel. Por exemplo, um material pode
conduzir corrente elétrica enquanto outro atua como um isolante ou mesmo supercondutor – todos
relacionados a como os elétrons podem se mover e interagir dentro deles.
Recentemente, os cientistas começaram a estudar materiais mais exóticos, aqueles cujas superfícies se
comportam de maneira diferente das propriedades do material geral geral. Um dos mais interessantes
deles é conhecido como isolantes topológicos.
“Os isolantes topológicos são novos materiais que permitem [condução de eletricidade sem perda de
calor] ao longo das bordas, mas permanecem isolantes a granel”, explicou Xiaoling Wang, professor da
Universidade de Wollongong, Austrália, em um e-mail. “Tal condução de estado de borda está associada
2/3
a propriedades mecânicas quânticas exclusivas do estado a granel de isolantes topológicos, e diferencia
isolantes topológicos de isoladores comuns, que estão isolando a granel, bem como ao longo das
bordas.”
Estes materiais são muito promissores para aplicações em futuros eletrônicos. No entanto, sua utilidade
pode ser aumentada se os elétrons que correm ao longo de suas superfícies compartilharem a mesma
polarização – isso se refere à direção de sua rotação interna, também conhecida como seu “spin”.
Isso levaria à aplicação de isolantes topológicos em spintrônica, um campo de eletrônicos cuja operação
depende dos spins de portadores de corrente com o potencial de trazer memória de computador mais
eficiente, discos rígidos, computadores quânticos e muito mais.
Procurando o material certo
Para encontrar esses materiais, Wang e seu colega Muhammad Nadeem, da Universidade de
Wollongong, estudaram a interação de elétrons em bidimensional (2D) (isto é, um átomo de espessura)
de diferentes materiais.
“O significado dos materiais 2D é múltiplo”, explicou Nadeem, descrevendo a lógica por trás de sua
direção de pesquisa. “Por um lado, os materiais 2D hospedam propriedades físicas únicas [que são]
sintonizáveis através de estímulos extrínsecos [como campo elétrico, tensão ou iluminação]. Por outro
lado, eles prometem dispositivos energeticamente eficientes e miniaturizados para tecnologias de
informação e comunicação devido a funcionalidades exóticas da mecânica quântica e dimensionalidades
reduzidas.
Em seu estudo publicado na Advanced Physics Research, os físicos analisaram antiferroímãs –
materiais nos quais spins atômicos se alinham em um padrão regular com spins vizinhos com direções
opostas. Isoladores topológicos baseados nesses materiais são de particular interesse, uma vez que os
antiferroímãs são minimamente influenciados por um campo magnético externo, protegendo eletrônicos
construídos usando esses materiais contra perturbações externas.
Para estudar esses materiais, a equipe usou um modelo bem estabelecido que descreve a interação de
elétrons em sólidos. Eles descobriram que as fitas antiferrogneticais 2D se transformam em isolantes
topológicos com elétrons polarizados em sua borda limite – uma interface ou perímetro onde o material
transita de um estado para outro, muitas vezes exibindo propriedades ou comportamentos distintos –
mas apenas sob condições muito específicas.
“Este trabalho prevê a existência e a realização prática de uma nova classe de material quântico
topológico chamado materiais topológicos Dirac spin-gapless. Esses materiais hospedam estados de
borda quiral únicos”, disse Wang. “Em outras palavras, todos os estados de borda carregam a mesma
polarização de spin-polar, uma característica fundamental para criar tecnologias spintrônica.”
O comportamento físico que eles preveem não é específico para um material específico, o que abre
muitas possibilidades para futuras aplicações práticas na indústria e na ciência.
“Os mecanismos propostos são independentes do material e podem ser empregados para dispositivos
spintrônicos emergentes, como o grafeno spintrônico”, explicou Nadeem.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/apxr.202300028
3/3
Embora este resultado teórico seja emocionante, ainda há muito trabalho a ser feito para colocá-lo em
prática e construir dispositivos spintrônicos reais com base nos materiais que eles previram.
“Este trabalho precisa de mais atenção em duas frentes”, concluiu Nadeem. “Primeiro, modelagem e
simulação para eficiência energética e desempenho de dispositivos quânticos baseados em [insuladores
topológicos com elétrons polarizados na borda limite] e, segundo, encontrando materiais adequados que
hospedam estados robustos de borda cinal sem spin-gap e são integráveis com as atuais tecnologias
spintrônicas.”
Referência: Muhammad Nadeem e Xiaolin Wang, Materiais Topológicos Dirac Spin-Gapless — um Novo
Horizonte para Interação Spintronics Sem Spin-Orbit, Pesquisa Física Avançada (2023). DOI:
10.1002/apxr.202300028
Crédito da imagem: Pawel Czerwinski em Unsplash
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se para receber nossa newsletter semanal e receba as últimas notícias científicas diretamente
na sua caixa de entrada.
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se no nosso boletim informativo semanal e receba as últimas notícias científicas.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/apxr.202300028