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Olhando apenas para suas partículas subatômicas, a maioria dos materiais pode ser colocada em uma de duas categorias.
Metais – como cobre e ferro – têm elétrons de fluxo livre que lhes permitem conduzir eletricidade, enquanto isolantes – como vidro e borracha – mantêm seus elétrons fortemente ligados e, portanto, não conduzem eletricidade.
Os isoladores podem se transformar em metais quando atingidos por um campo elétrico intenso, oferecendo possibilidades tentadoras para microeletrônica e supercomputação, mas a física por trás desse fenômeno chamado comutação resistiva não é bem compreendida.
Questões como o tamanho de um campo elétrico necessário são ferozmente debatidas por cientistas, como o teórico da matéria condensada da Universidade de Buffalo, Jong Han.
“Eu tenho sido obcecado por isso”, diz ele.
Han, PhD, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências, é o principal autor de um estudo que adota uma nova abordagem para responder a um mistério de longa data sobre as transições de isolador para metal. O estudo, “Colapso de isolador correlacionado devido a avalanche quântica via estados de escada in-gap”, foi publicado em maio na Natureza Comunicações.
O caminho quântico permite que os elétrons se movam entre as bandas
A diferença entre metais e isolantes está nos princípios da mecânica quântica, que ditam que os elétrons são partículas quânticas e seus níveis de energia vêm em bandas com lacunas proibidas, diz Han.
Desde a década de 1930, a fórmula de Landau-Zener serviu como um modelo para determinar o tamanho do campo elétrico necessário para empurrar os elétrons de um isolante de suas bandas inferiores para as bandas superiores. Mas experimentos nas décadas seguintes mostraram que os materiais requerem um campo elétrico muito menor – aproximadamente 1.000 vezes menor – do que a fórmula de Landau-Zener estimada.
“Portanto, há uma enorme discrepância e precisamos ter uma teoria melhor”, diz Han.
Para resolver isso, Han decidiu considerar uma questão diferente: o que acontece quando os elétrons que já estão na banda superior de um isolante são empurrados?
Han executou uma simulação de computador de comutação resistiva que representava a presença de elétrons na banda superior. Ele mostrou que um campo elétrico relativamente pequeno poderia desencadear um colapso da lacuna entre as bandas inferior e superior, criando um caminho quântico para os elétrons subirem e descerem entre as bandas.
Para fazer uma analogia, Han diz: “Imagine alguns elétrons se movendo em um segundo andar.
“Então, a questão não é mais como os elétrons no andar inferior saltam, mas a estabilidade dos andares superiores sob um campo elétrico.”
Essa ideia ajuda a resolver algumas das discrepâncias na fórmula de Landau-Zener, diz Han. Também fornece alguma clareza ao debate sobre as transições de isolador para metal causadas pelos próprios elétrons ou causadas por calor extremo. A simulação de Han sugere que a avalanche quântica não é desencadeada pelo calor. No entanto, a transição completa do isolante para o metal não acontece até que as temperaturas separadas dos elétrons e fônons – vibrações quânticas dos átomos do cristal – se equilibrem. Isso mostra que os mecanismos de comutação eletrônica e térmica não são exclusivos um do outro, diz Han, mas podem surgir simultaneamente.
“Então, encontramos uma maneira de entender alguns cantos de todo esse fenômeno de comutação resistiva”, diz Han. “Mas acho que é um bom ponto de partida.”
Pesquisa pode melhorar a microeletrônica
O estudo foi co-autoria de Jonathan Bird, PhD, professor e presidente de engenharia elétrica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UB, que forneceu contexto experimental. Sua equipe estuda as propriedades elétricas de nanomateriais emergentes que exibem novos estados em baixas temperaturas, o que pode ensinar muito aos pesquisadores sobre a física complexa que governa o comportamento elétrico.
“Enquanto nossos estudos estão focados em resolver questões fundamentais sobre a física de novos materiais, os fenômenos elétricos que revelamos nesses materiais podem, em última análise, fornecer a base de novas tecnologias microeletrônicas, como memórias compactas para uso em aplicações intensivas de dados, como inteligência artificial”, diz Bird.
A pesquisa também pode ser crucial para áreas como a computação neuromórfica, que tenta emular a estimulação elétrica do sistema nervoso humano. “Nosso foco, no entanto, é principalmente a compreensão da fenomenologia fundamental”, diz Bird.
Outros autores incluem o estudante de doutorado em física da UB, Xi Chen; Ishiaka Mansaray, que recebeu um PhD em física e agora é pós-doutorado no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, e Michael Randle, que recebeu um PhD em engenharia elétrica e agora é pós-doutorado no instituto de pesquisa Riken no Japão. Outros autores incluem pesquisadores internacionais que representam o Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne, a Universidade Pohang de Ciência e Tecnologia e o Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos, Instituto de Ciências Básicas.
Desde a publicação do artigo, Han criou uma teoria analítica que combina bem com os cálculos do computador. Ainda assim, há mais para ele investigar, como as condições exatas necessárias para que uma avalanche quântica aconteça.
“Alguém, um experimentalista, vai me perguntar: ‘Por que não vi isso antes?’”, diz Han. “Alguns podem ter visto, outros não. Temos muito trabalho pela frente para resolver isso.”
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