novo material de fiação pode transformar a tecnologia de chips

Os rápidos avanços tecnológicos do nosso mundo foram possibilitados pela nossa capacidade de projetar e fabricar chips eletrônicos cada vez menores. Eles sustentam computadores, telefones celulares e todos os dispositivos inteligentes implantados até o momento.

Um dos muitos desafios é que os componentes eletrónicos geram cada vez mais calor à medida que são miniaturizados. Uma questão significativa reside em tornar os fios que conectam os transistores no chip mais finos e, ao mesmo tempo, garantir que a quantidade mínima de calor seja liberada.

Essas interconexões são normalmente feitas de cobre e, à medida que começamos a reduzi-las para espessuras em nanoescala, sua resistência elétrica aumenta rapidamente porque os elétrons que se movem ao longo dos fios têm maior probabilidade de colidir com a superfície do fio. Conhecido como dispersão, isso faz com que a energia seja liberada na forma de calor residual, o que significa que você precisa de mais energia para manter o mesmo nível de desempenho.

Um grupo da Universidade de Stanford publicou um novo artigo mostrando que filmes finos de um material conhecido como fosfeto de nióbio (NbP) exibem condutividade muito maior do que o cobre abaixo de uma espessura de 5 nanômetros (nm) (a espessura típica da fiação nos chips atuais é cerca de 10nm-30nm). Essa melhoria ocorre porque o NbP é um material com propriedades quânticas únicas.

O NbP pertence a uma classe de materiais conhecidos como materiais topológicos, que possuem propriedades eletrônicas únicas devido à sua estrutura atômica e foram objeto do prêmio Nobel de física de 2016. A sua condutividade ao longo da superfície é extremamente elevada e permanece a mesma independentemente das alterações na forma ou tamanho do material (os físicos referem-se a isto como um “estado de superfície topologicamente protegido”).

Em outras palavras, é robusto e não é facilmente destruído ao ser remodelado. Mesmo quando o material é mais fino, dobrado ou com sulcos, as propriedades condutoras especiais que podem ser observadas na superfície permanecem presentes.

Isto é importante, pois a capacidade de diminuir a espessura das interconexões elétricas e ao mesmo tempo permitir que a eletricidade flua facilmente é fundamental para equilibrar o custo e a complexidade de fabricação com a eficiência energética. Isto dá ao NbP uma vantagem significativa sobre outros materiais.

Desordem vs ordem

O que é particularmente notável na descoberta da equipa de Stanford é que estas propriedades quânticas foram observadas em filmes desordenados, o que significa que o fosfeto de nióbio não foi fabricado da forma mais controlada para maximizar as suas propriedades condutoras.

Há uma boa analogia na fabricação de barras de chocolate: é vital controlar o processo de resfriamento do chocolate derretido para criar o produto final brilhante com o qual você está acostumado. Este processo é conhecido como têmpera. Qualquer pessoa que já tenha experimentado isso provavelmente sabe o quão monótona e macia a versão não temperada pode ser – e como isso afeta o sabor.

A diferença entre o chocolate temperado e o não temperado é o tamanho dos cristais individuais dentro da estrutura do chocolate (ou, dito de outra forma, a quantidade de pedidos). O chocolate não temperado contém vários pequenos cristais desordenados uns em relação aos outros. Para fazer chocolate temperado, o fabricante irá resfriá-lo de forma controlada e também adicionar um pedaço de chocolate temperado para promover o crescimento de uma estrutura cristalina uniforme.

Agora imagine como seria útil se você pudesse simplesmente pular essa têmpera. Isso não apenas tornaria o processo de produção mais eficiente, mas também diminuiria a energia necessária. Isto é essencialmente o que a equipe de Stanford mostrou em relação ao seu material.

Em termos técnicos, o fosfeto de nióbio não tinha ordem de longo alcance. Isso significa que, embora pudesse conter alguns dos pequenos cristais que você associaria a uma versão ideal, o material era considerado uma liga desordenada em geral.

Apesar disso, ainda era um excelente condutor para um filme ultrafino, aparentemente devido ao exótico fenômeno quântico de estados de superfície topologicamente protegidos. Se este efeito puder ocorrer mesmo num material desordenado, simplifica enormemente o processo de fabrico – com implicações positivas nos custos.

Isto mostra como os efeitos quânticos podem levar a melhorias tão significativas na condutividade, permitindo-nos potencialmente produzir chips de computador mais potentes e energeticamente eficientes num futuro próximo. Uma questão importante é se poderia haver fosfeto de nióbio suficiente para fins de fabricação.

Embora esta não seja a nossa área, o fósforo é quase tão abundante como o carbono na crosta terrestre, enquanto o nióbio é cerca de um terço tão abundante como o cobre, aproximadamente comparável ao cobalto e ao níquel. Isto sugere uma oferta suficiente, embora os especialistas tenham de pesar o custo relativo da extracção destes elementos dos seus minérios.

Para aqueles de nós que trabalham neste campo, a descoberta também levanta a questão de saber se outros materiais topológicos, como o fosfeto de tântalo e o arsenieto de tântalo, poderiam se comportar de forma semelhante. Além disso, qual é o ingrediente essencial que as amostras de NbP possuem para que atuem dessa forma? Estas questões continuarão a envolver os cientistas na sua procura de soluções que possibilitem tecnologias de computação de menor consumo de energia no futuro.