Cristais ultrafinos revelam novas possibilidades

Cientistas da UC Irvine introduziram um método inovador para produzir cristais de bismuto com espessura nanométrica, melhorando a fabricação eletrônica flexível e descobrindo novas propriedades eletrônicas críticas para tecnologias quânticas. Crédito: SciTechDaily.com

Pesquisadores da UC Irvine desenvolveram um material de bismuto ultrafino projetado para uso em tecnologias flexíveis.

Em um estudo publicado em Materiais da Naturezacientistas do Universidade da Califórnia, Irvine descrevem um novo método para fazer cristais muito finos do elemento bismuto – um processo que pode ajudar a tornar a fabricação de eletrônicos flexíveis e baratos uma realidade cotidiana. “O bismuto fascina os cientistas há mais de cem anos devido ao seu baixo ponto de fusão e propriedades eletrônicas únicas”, disse Javier Sanchez-Yamagishi, professor assistente de física e astronomia na UC Irvine e coautor do estudo. “Desenvolvemos um novo método para fazer cristais muito finos de materiais como o bismuto e, no processo, revelar comportamentos eletrônicos ocultos das superfícies do metal.” As folhas de bismuto que a equipe fez têm apenas alguns nanômetros de espessura. Sanchez-Yamagishi explicou como os teóricos previram que o bismuto contém estados eletrônicos especiais que permitem que ele se torne magnético quando a eletricidade flui através dele – algo essencial para dispositivos eletrônicos quânticos baseados no spin magnético dos elétrons. Um dos comportamentos ocultos observados pela equipe são as chamadas oscilações quânticas originadas nas superfícies dos cristais. “As oscilações quânticas surgem do movimento de um elétron em um campo magnético”, disse Laisi Chen, Ph.D. candidato em física e astronomia na UC Irvine e um dos principais autores do artigo. “Se o elétron puder completar uma órbita completa em torno de um campo magnético, ele poderá exibir efeitos que são importantes para o desempenho da eletrônica. As oscilações quânticas foram descobertas pela primeira vez no bismuto na década de 1930, mas nunca foram vistas em cristais de bismuto com espessura nanométrica.”

Espremer o bismuto entre placas de moldagem atomicamente lisas feitas de um material chamado nitreto de boro hexagonal resulta em cristais extremamente finos e planos com propriedades eletrônicas quânticas únicas. Crédito: Eli Krantz / Krantz NanoArt

Técnicas de fabricação inovadoras

Amy Wu, Ph.D. candidato em física no laboratório de Sanchez-Yamagishi, comparou o novo método da equipe a uma prensa de tortilha. Para fazer as folhas ultrafinas de bismuto, explicou Wu, eles tiveram que espremer o bismuto entre duas placas quentes. Para tornar as folhas tão planas como são, eles tiveram que usar placas de moldagem perfeitamente lisas em nível atômico, o que significa que não há reentrâncias microscópicas ou outras imperfeições na superfície. “Fizemos então uma espécie de quesadilla ou panini onde o bismuto é o recheio de queijo e as tortilhas são as superfícies atomicamente planas”, disse Wu. “Houve um momento de nervosismo em que passamos mais de um ano produzindo esses lindos cristais finos, mas não tínhamos ideia se suas propriedades elétricas seriam algo extraordinário”, disse Sanchez-Yamagishi. “Mas quando resfriamos o dispositivo em nosso laboratório, ficamos surpresos ao observar oscilações quânticas, que não haviam sido vistas anteriormente em filmes finos de bismuto.” “A compressão é uma técnica de fabricação muito comum usada para fazer materiais domésticos comuns, como folha de alumínio, mas não é comumente usada para fazer materiais eletrônicos como os de seus computadores”, acrescentou Sanchez-Yamagishi. “Acreditamos que nosso método será generalizado para outros materiais, como estanho, selênio, telúrio e ligas relacionadas com baixos pontos de fusão, e pode ser interessante explorar futuros circuitos eletrônicos flexíveis.” Em seguida, a equipe quer explorar outras maneiras pelas quais os métodos de compressão e moldagem por injeção podem ser usados ​​para fabricar os próximos chips de computador para telefones ou tablets. “Nossos novos membros da equipe trazem ideias interessantes para este projeto e estamos trabalhando em novas técnicas para obter maior controle sobre a forma e a espessura dos cristais de bismuto cultivados”, disse Chen. “Isso simplificará a forma como fabricamos dispositivos e dará um passo mais perto da produção em massa.” Referência: “Transporte eletrônico excepcional e oscilações quânticas em cristais finos de bismuto cultivados dentro de materiais van der Waals” por Laisi Chen, Amy X. Wu, Naol Tulu, Joshua Wang, Adrian Juanson, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Michael T. Pettes, Marshall A. Campbell, Mingjie Xu, Chaitanya A. Gadre, Yinong Zhou, Hangman Chen, Penghui Cao, Luis A. Jauregui, Ruqian Wu, Xiaoqing Pan e Javier D. Sanchez-Yamagishi, 13 de maio de 2024, Materiais da Natureza. DOI: 10.1038/s41563-024-01894-0 A equipe de pesquisa incluiu colaboradores da UC Irvine, do Laboratório Nacional de Los Alamos e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão. A pesquisa foi financiada principalmente pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, com apoio parcial vindo do Programa de Sementes do Centro de Materiais Complexos e Ativos da UC Irvine, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation. https://w3b.com.br/cristais-ultrafinos-revelam-novas-possibilidades/?feed_id=10411&_unique_id=671ae7f3b7e5e

Controle quântico desbloqueado: criação de canais de elétrons livres de resistência

  Controle quântico desbloqueado

Novas pesquisas demonstram controle sobre estados quânticos que poderiam revolucionar a eficiência energética na eletrônica e avançar a computação quântica. Crédito: SciTechDaily.com

Pela primeira vez, os cientistas manipulam eletricamente um 'estado de interface quiral' em um material 2D, com promessa de microeletrônica com eficiência energética e

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica.

• Os cientistas obtiveram as primeiras imagens de resolução atômica de um fenômeno quântico exótico que poderia ajudar os pesquisadores a avançar na computação quântica e na eletrônica com eficiência energética.
• O trabalho permite a visualização e controle do fluxo de elétrons em uma classe única de isoladores quânticos.
• As descobertas podem ajudar os pesquisadores a construir redes sintonizáveis ​​de canais de elétrons com promessas de computação quântica eficiente e dispositivos de memória magnética de baixa potência no futuro.

Avanço em computação quântica e eletrônica

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) obteve as primeiras imagens de resolução atômica e demonstrou o controle elétrico de um estado de interface quiral – um fenômeno quântico exótico que poderia ajudar os pesquisadores a avançar na computação quântica e na eletrônica com eficiência energética.

Revelando Estados de Interface Quiral

O estado de interface quiral é um canal condutor que permite que os elétrons viajem em apenas uma direção, evitando que sejam espalhados para trás e causando resistência elétrica com desperdício de energia. Os pesquisadores estão trabalhando para compreender melhor as propriedades dos estados de interface quirais em materiais reais, mas visualizar suas características espaciais provou ser excepcionalmente difícil. Mas agora, pela primeira vez, imagens de resolução atômica capturadas por uma equipe de pesquisa do Berkeley Lab e da UC Berkeley visualizaram diretamente um estado de interface quiral. Os pesquisadores também demonstraram a criação sob demanda desses canais condutores livres de resistência em um isolador 2D.

Imagem de microscopia de varredura por tunelamento de uma função de onda de estado de interface quiral (faixa brilhante) em um isolador Hall anômalo quântico feito de grafeno monocamada-bicamada torcido. Crédito: Canxun Zhang/Berkeley Lab

Avançando nas aplicações de materiais quânticos

Seu trabalho, que foi relatado na revista Física da Naturezafaz parte do esforço mais amplo do Berkeley Lab para avançar na computação quântica e outras aplicações de sistemas de informação quântica, incluindo o design e síntese de materiais quânticos para atender a necessidades tecnológicas urgentes.

“Nosso trabalho mostra pela primeira vez como são esses estados 1D em escala atômica, incluindo como podemos alterá-los – e até mesmo criá-los.” – Canxun Zhang, ex-aluno pesquisador da Divisão de Ciências de Materiais

“Experiências anteriores demonstraram que existem estados de interface quirais, mas ninguém nunca os visualizou com uma resolução tão alta. Nosso trabalho mostra pela primeira vez como são esses estados 1D na escala atômica, incluindo como podemos alterá-los – e até mesmo criá-los”, disse o primeiro autor Canxun Zhang, ex-aluno pesquisador da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e do Departamento de Física da UC Berkeley. Ele agora é pesquisador de pós-doutorado na UC Santa Barbara.

Técnicas Inovadoras e Aplicações Futuras

Estados de interface quirais podem ocorrer em certos tipos de materiais 2D conhecidos como isoladores Hall anômalos quânticos (QAH), que são isolantes em massa, mas conduzem elétrons sem resistência em “bordas” unidimensionais – os limites físicos do material e interfaces com outros materiais. Para preparar estados de interface quirais, a equipe trabalhou na Fundição Molecular do Berkeley Lab para fabricar um dispositivo chamado monocamada-bicamada torcida.

grafeno

O grafeno é um alótropo de carbono na forma de uma única camada de átomos em uma rede hexagonal bidimensional na qual um átomo forma cada vértice. É o elemento estrutural básico de outros alótropos de carbono, incluindo grafite, carvão, nanotubos de carbono e fulerenos. Em proporção à sua espessura, é cerca de 100 vezes mais resistente que o aço mais resistente.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">grafenoque é uma pilha de duas camadas atomicamente finas de grafeno giradas precisamente uma em relação à outra, criando uma superrede moiré que exibe o efeito QAH.

Imagens de microscopia de varredura por tunelamento mostram uma função de onda de estado de interface quiral (faixa brilhante) em um isolador QAH feito de grafeno monocamada-bicamada torcido em um dispositivo 2D. A interface pode ser movida através da amostra modulando a voltagem em um eletrodo de porta colocado abaixo das camadas de grafeno. Crédito: Canxun Zhang/Berkeley Lab

Em experimentos subsequentes no Departamento de Física da UC Berkeley, os pesquisadores usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para detectar diferentes estados eletrônicos na amostra, permitindo-lhes visualizar a função de onda do estado da interface quiral. Outros experimentos mostraram que o estado da interface quiral pode ser movido através da amostra modulando a voltagem em um eletrodo de porta colocado abaixo das camadas de grafeno. Numa demonstração final de controle, os pesquisadores mostraram que um pulso de tensão da ponta de uma sonda STM pode “escrever” um estado de interface quiral na amostra, apagá-lo e até mesmo reescrever um novo onde os elétrons fluem na direção oposta.

Impacto potencial e pesquisa em andamento

As descobertas podem ajudar os pesquisadores a construir redes sintonizáveis ​​​​de canais de elétrons com promessas para microeletrônica com eficiência energética e dispositivos de memória magnética de baixa potência no futuro, e para computação quântica fazendo uso de comportamentos exóticos de elétrons em isoladores QAH. Os pesquisadores pretendem usar sua técnica para estudar física mais exótica em materiais relacionados, como anyons, um novo tipo de quasipartícula que poderia permitir um caminho para a computação quântica. “Nossos resultados fornecem informações que antes não eram possíveis. Ainda há um longo caminho a percorrer, mas este é um bom primeiro passo”, disse Zhang. Referência: “Manipulação de estados de interface quiral em um isolador Hall anômalo quântico moiré” por Canxun Zhang, Tiancong Zhu, Salman Kahn, Tomohiro Soejima, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Alex Zettl, Feng Wang, Michael P. Zaletel e Michael F. Crommie , 13 de março de 2024, Física da Natureza. DOI: 10.1038/s41567-024-02444-w O trabalho foi liderado por Michael Crommie, cientista sênior da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de física na UC Berkeley. Tiancong Zhu, ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo Crommie no Berkeley Lab e UC Berkeley, contribuiu como co-autor correspondente e agora é professor de física na Purdue University. A Molecular Foundry é uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Berkeley Lab. Este trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science. Financiamento adicional foi fornecido pela National Science Foundation. https://w3b.com.br/controle-quantico-desbloqueado-criacao-de-canais-de-eletrons-livres-de-resistencia/?feed_id=6517&_unique_id=668f0d0fa6482