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Uma equipe da Universidade de Minnesota Twin Cities, pela primeira vez, sintetizou um filme fino de um material semimetal topológico único que tem o potencial de gerar mais poder de computação e armazenamento de memória enquanto usa significativamente menos energia. Os pesquisadores também puderam estudar de perto o material, levando a algumas descobertas importantes sobre a física por trás de suas propriedades únicas.
O estudo é publicado em Natureza Comunicaçõesuma revista científica revisada por pares que cobre as ciências naturais e a engenharia.
Conforme evidenciado pelo recente CHIPS and Science Act dos Estados Unidos, há uma necessidade crescente de aumentar a fabricação de semicondutores e apoiar a pesquisa que envolve o desenvolvimento de materiais que alimentam dispositivos eletrônicos em todos os lugares. Embora os semicondutores tradicionais sejam a tecnologia por trás da maioria dos chips de computador atuais, cientistas e engenheiros estão sempre procurando novos materiais que possam gerar mais energia com menos energia para tornar a eletrônica melhor, menor e mais eficiente.
Um desses candidatos para esses chips de computador novos e aprimorados é uma classe de materiais quânticos chamados semimetais topológicos. Os elétrons nesses materiais se comportam de maneiras diferentes, dando aos materiais propriedades únicas que os isoladores e metais típicos usados em dispositivos eletrônicos não possuem. Por esse motivo, eles estão sendo explorados para uso em dispositivos spintrônicos, uma alternativa aos dispositivos semicondutores tradicionais que aproveitam o spin dos elétrons em vez da carga elétrica para armazenar dados e processar informações.
Neste novo estudo, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Universidade de Minnesota conseguiu sintetizar com sucesso um material como um filme fino – e provar que ele tem potencial para alto desempenho com baixo consumo de energia.
“Esta pesquisa mostra pela primeira vez que você pode fazer a transição de um isolante topológico fraco para um semimetal topológico usando uma estratégia de dopagem magnética”, disse Jian-Ping Wang, autor sênior do artigo e distinto professor da McKnight University e Robert F. Hartmann Chair no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota. “Estamos procurando maneiras de prolongar a vida útil de nossos dispositivos elétricos e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia, e estamos tentando fazer isso de maneiras não tradicionais e prontas para uso.”
Os pesquisadores trabalham em materiais topológicos há anos, mas a equipe da Universidade de Minnesota é a primeira a usar um processo de pulverização patenteado e compatível com a indústria para criar esse semimetal em um formato de filme fino. Como seu processo é compatível com a indústria, disse Wang, a tecnologia pode ser mais facilmente adotada e usada para fabricar dispositivos do mundo real.
“Todos os dias em nossas vidas, usamos dispositivos eletrônicos, de nossos telefones celulares a lava-louças e micro-ondas. Todos eles usam chips. Tudo consome energia”, disse Andre Mkhoyan, autor sênior do artigo e Ray D. e Mary T. Johnson. Presidente e professor do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota. “A questão é, como podemos minimizar o consumo de energia? Esta pesquisa é um passo nessa direção. Estamos chegando a uma nova classe de materiais com desempenho semelhante ou muitas vezes melhor, mas usando muito menos energia.”
Como os pesquisadores fabricaram um material de alta qualidade, eles também puderam analisar de perto suas propriedades e o que o torna tão único.
“Uma das principais contribuições deste trabalho do ponto de vista da física é que fomos capazes de estudar algumas das propriedades mais fundamentais deste material”, disse Tony Low, autor sênior do artigo e professor associado de Paul Palmberg na Universidade do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Minnesota. “Normalmente, quando você aplica um campo magnético, a resistência longitudinal de um material aumenta, mas neste material topológico específico, previmos que ela diminuiria. Conseguimos corroborar nossa teoria com os dados de transporte medidos e confirmar que há é de fato uma resistência negativa.”
Low, Mkhoyan e Wang trabalham juntos há mais de uma década em materiais topológicos para dispositivos e sistemas eletrônicos de próxima geração – esta pesquisa não teria sido possível sem combinar seus respectivos conhecimentos em teoria e computação, crescimento e caracterização de materiais, e fabricação de dispositivos.
“Não é preciso apenas uma visão inspiradora, mas também muita paciência nas quatro disciplinas e um grupo dedicado de membros da equipe para trabalhar em um tópico tão importante, mas desafiador, que potencialmente permitirá a transição da tecnologia do laboratório para a indústria”, disse Wang .
Além de Low, Mkhoyan e Wang, a equipe de pesquisa incluiu os pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota, Delin Zhang, Wei Jiang, Onri Benally, Zach Cresswell, Yihong Fan, Yang Lv e Przemyslaw Swatek; Pesquisador do Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais, Hwanhui Yun; O pesquisador do Departamento de Física e Astronomia, Thomas Peterson; e os pesquisadores do Centro de Caracterização da Universidade de Minnesota, Guichuan Yu e Javier Barriocanal.
Esta pesquisa é apoiada pelo SMART, um dos sete centros do nCORE, um programa da Semiconductor Research Corporation, patrocinado pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). TP e DZ foram parcialmente apoiados pelo ASCENT, um dos seis centros do JUMP, um programa da Semiconductor Research Corporation patrocinado pela MARCO e DARPA. Este trabalho foi parcialmente financiado pelo programa do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da Universidade de Minnesota (MRSEC) sob o prêmio número DMR-2011401 (Seed). Partes deste trabalho foram realizadas no Characterization Facility da University of Minnesota Twin Cities, que recebe apoio parcial da National Science Foundation por meio do MRSEC (Número do Prêmio DMR-2011401). Partes deste trabalho foram realizadas no Minnesota Nano Center, que é apoiado pela NSF Nano Coordinated Infrastructure Network (NNCI) sob o número do prêmio ECCS-2025124.
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