Cientistas torcem pequenos cristais para controlar a eletricidade
Cientistas do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente, juntamente com seus colaboradores, desenvolveram uma técnica para construir dispositivos tridimensionais em nanoescala diretamente a partir de materiais de cristal único. O método depende de um instrumento de feixe de íons focado que pode remover material com precisão em escalas extremamente pequenas. Usando esta abordagem, a equipe esculpiu pequenas estruturas helicoidais a partir de um cristal magnético topológico feito de cobalto, estanho e enxofre, com a fórmula química Co3Sn2S2. Os testes mostraram que essas estruturas se comportam como diodos comutáveis, o que significa que a corrente elétrica viaja mais facilmente em uma direção do que na outra.
Os eletrônicos construídos com formas tridimensionais complexas poderiam ser menores, mais eficientes e mais poderosos do que os dispositivos planos atuais. Apesar desse potencial, os pesquisadores tiveram formas limitadas de criar tais estruturas. Os métodos de fabricação existentes muitas vezes restringem quais materiais podem ser usados e podem comprometer a qualidade do dispositivo final.
Corte de precisão com feixes de íons focados
No novo estudo, publicado em Nanotecnologia da Naturezaos pesquisadores enfrentaram esses desafios usando um feixe de íons focado, capaz de cortar com precisão submícron. Este nível de controle permite, em princípio, a criação de dispositivos tridimensionais a partir de praticamente qualquer material cristalino. O processo lembra a escultura, onde o material é cuidadosamente removido de um bloco sólido até que a forma desejada seja alcançada.
Para demonstrar as capacidades do método, a equipe fabricou nanodispositivos helicoidais a partir do cristal magnético Co3Sn2S2. Com base nas propriedades conhecidas deste material, eles esperavam que a geometria torcida produzisse um efeito especial de diodo chamado transporte elétrico não recíproco, impulsionado pela forma quiral em nanoescala. Experimentos confirmaram essa previsão. A corrente elétrica fluía mais facilmente em uma direção, e o efeito poderia ser revertido alterando a magnetização ou alterando a lateralidade da hélice. Os pesquisadores também observaram a interação reversa, onde fortes pulsos elétricos poderiam inverter a magnetização da estrutura. Os diodos são componentes essenciais na eletrônica moderna e são usados na conversão AC/DC, processamento de sinais e dispositivos LED.
Como a forma controla o movimento dos elétrons
Ao comparar hélices de diferentes tamanhos e medir seu comportamento em várias temperaturas, os pesquisadores rastrearam o efeito do diodo na dispersão desigual de elétrons ao longo das paredes curvas e quirais dos dispositivos. Estas descobertas mostram que a forma física de um componente pode influenciar diretamente a forma como a eletricidade se move através dele. Os resultados sugerem que a própria geometria pode ser usada como uma ferramenta de design, permitindo componentes de engenharia de formato e baixo consumo de energia para futuras tecnologias de memória, lógica e detecção.
De acordo com Max Birch, o primeiro autor do estudo, “Ao tratar a geometria como uma fonte de quebra de simetria em pé de igualdade com as propriedades intrínsecas do material, podemos projetar a não reciprocidade elétrica no nível do dispositivo. Nosso recém-desenvolvido método de nanoescultura por feixe de íons focado abre uma ampla gama de estudos sobre como geometrias tridimensionais e curvas de dispositivos podem ser usadas para realizar novas funções eletrônicas. “
Yoshinori Tokura, que lidera o grupo de pesquisa, acrescentou: “De forma mais ampla, esta abordagem permite projetos de dispositivos que combinam estados eletrônicos topológicos ou fortemente correlacionados com curvatura projetada no regime de transporte balístico ou hidrodinâmico. A convergência da física dos materiais e da nanofabricação aponta para arquiteturas de dispositivos funcionais com impacto potencial na memória, lógica e tecnologias de detecção. “
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