Nova estrutura para a autoestrada dos electrões
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Os isoladores topológicos poderão constituir a base de componentes electrónicos revolucionários. No entanto, como geralmente só funcionam a temperaturas muito baixas, a sua aplicação prática tem sido severamente limitada até à data. Os investigadores da Universidade de Würzburg desenvolveram agora um isolador topológico que também funciona a temperaturas mais elevadas.
Um isolador topológico pode ser imaginado como um material que é um isolador perfeito no seu interior - não conduz eletricidade. No entanto, nas suas extremidades, comporta-se como uma "autoestrada de electrões" quase sem perdas. Os electrões podem mover-se ao longo destes caminhos quase sem perdas.
Para aprofundar a analogia: estas auto-estradas têm faixas separadas para electrões com diferentes "spins" - uma espécie de momento angular intrínseco. Os electrões com "spin-up" movem-se numa direção, os electrões com "spin-down" na direção oposta. Esta rigorosa regulação do tráfego evita colisões e, consequentemente, perdas de energia. O fenómeno por detrás disto é conhecido como o Efeito Hall de Spin Quântico (QSHE) - um efeito que também foi comprovado experimentalmente pela primeira vez na Universidade de Würzburg.
Uma estrutura de poço quântico com três camadas
A principal vantagem desta propriedade reside na possibilidade de transporte de electrões sem perdas e spin-polarizado, o que poderá constituir a base para futuros componentes electrónicos revolucionários. Embora este efeito tenha um enorme potencial, a sua aplicação prática tem enfrentado desafios consideráveis até à data, principalmente porque os isoladores topológicos normalmente só exibem as suas cobiçadas propriedades a temperaturas extremamente baixas - um pouco acima do zero absoluto, que é cerca de 273 graus Celsius negativos.
Uma equipa de investigação da Universidade de Würzburg, em colaboração com cientistas da Universidade de Montpellier e da École Normale Supérieure de Paris, desenvolveu agora um isolador topológico que exibe o efeito desejado mesmo a temperaturas significativamente mais elevadas: cerca de 213 graus Celsius negativos, como demonstraram as experiências. A equipa liderada pelo Professor Sven Höfling, Presidente da Cátedra de Física Técnica, foi responsável por este feito; Fabian Hartmann e Manuel Meyer são os primeiros autores conjuntos.
"Desenvolvemos e testámos um novo sistema material para as nossas experiências: uma estrutura especial de poço quântico constituída por três camadas", explica Sven Höfling. O arsenieto de índio (InAs) forma as duas camadas exteriores da estrutura de três camadas. GaInSb, uma liga de gálio (Ga), índio (In) e antimónio (Sb), forma a camada intermédia. De acordo com os físicos, esta estrutura de três camadas especialmente desenvolvida oferece vantagens decisivas em relação a abordagens anteriores.
Um candidato promissor para aplicações tecnológicas
"O problema com os materiais utilizados até à data reside frequentemente no facto de a sua energia de banda ser demasiado baixa", afirma Fabian Hartmann. O "band gap" pode ser considerado como uma espécie de "barreira energética" que os electrões têm de ultrapassar para tornar o interior do material condutor. Um maior intervalo de banda significa, portanto, uma barreira mais robusta que impede que o interior se torne condutor mesmo a temperaturas mais elevadas e perturbe os canais de borda sem perdas. De facto, a utilização de uma liga GaInSb aumenta a energia do intervalo de banda do material. Ao mesmo tempo, a adição de uma terceira camada de InAs cria uma estrutura simétrica que melhora significativamente o tamanho e a robustez da energia do intervalo de banda.
"O nosso sistema é um candidato promissor para aplicações tecnológicas porque combina três vantagens fundamentais", afirma Manuel Meyer. Em primeiro lugar, pode ser fabricado em grandes quantidades e em grande escala. Em segundo lugar, os resultados são fiáveis e repetíveis. E, em terceiro lugar, o material é compatível com a atual tecnologia de chips de silício.
Em resumo, os físicos acreditam que estes resultados abrem caminho para o desenvolvimento da eletrónica topológica. Esta poderia também funcionar a temperaturas menos extremas e ser integrada sem problemas na tecnologia de semicondutores estabelecida, abrindo a porta a uma nova geração de dispositivos potentes e eficientes em termos energéticos.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Manuel Meyer, Jonas Baumbach, Sergey Krishtopenko, Adriana Wolf, Monika Emmerling, Sebastian Schmid, Martin Kamp, Benoit Jouault, Jean-Baptiste Rodriguez, Eric Tournie, Tobias Müller, Ronny Thomale, Gerald Bastard, Frederic Teppe, Fabian Hartmann, Sven Höfling; "Quantum spin Hall effect in III-V semiconductors at elevated temperatures: Advancing topological electronics"; Science Advances, Volume 11
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