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Mais um interessante artigo publicado pela Revista Eletrônica Inovação Tecnológica em 19/11/2015.
Valetrônica
Uma das áreas de fronteira no campo da
computação é a valetrônica, uma possibilidade
tecnológica que emergiu com a descoberta
do grafeno e outros materiais bidimensionais.
Além de estabelecer uma ponte entre a eletrônica e
a computação quântica, a valetrônica acena com
circuitos com um consumo mínimo de energia e
virtualmente nenhuma dissipação de calor.
Agora, engenheiros da Universidade de Tóquio, no
Japão, construíram o primeiro componente
valetrônico totalmente controlável.
A aplicação de uma corrente elétrica vertical cria uma diferença de energia entre as duas camadas de grafeno, o que quebra sua simetria e permite o controle da corrente de vales. [Imagem: Seigo Tarucha Lab]
Corrente de vales
Embora o controle das "correntes de vales" - em
oposição às correntes de cargas, ou elétrons - já
tivesse sido demonstrado no grafeno, o controle da
conversão entre a corrente de cargas convencional e
a corrente de vales era limitado.
Yuya Shimazaki e seus colegas construíram um
componente com uma camada dupla de grafeno
ensanduichada entre duas camadas isolantes, que
se mostrou capaz de converter a corrente comum
em corrente de vales ao longo de um canal de 3,5
micrômetros.
Assim, a corrente de vale foi transferida a uma
distância grande o suficiente para excluir outras
possíveis explicações para os resultados. O
componente também permite controlar da eficiência
da conversão.
A equipe acredita que o sucesso na integração desse
dispositivo permitirá a futura fabricação de
componentes valetrônicos que operem a
temperatura ambiente - no protótipo, a corrente de
vales foi detectada a -203,15º C.
Esquema (em cima) e protótipo (embaixo) do componente valetrônico. [Imagem: Seigo Tarucha Lab]
O que é corrente de vales?
Em escala atômica, a matéria se comporta como
partícula ou como onda. Assim, os elétrons possuem
um comprimento de onda associado a eles, que
normalmente pode ter muitos valores diferentes.
Os sistemas cristalinos, no entanto, - materiais
sólidos - parecem ter uma certa "preferência" por
alguns comprimentos de onda. O grafeno, por
exemplo, tem dois comprimentos de onda
favorecidos, conhecidos como K e K'. Isto significa
que dois elétrons no grafeno podem ter a mesma
energia, mas diferentes comprimentos de onda -
ou, dito de outra maneira, diferentes vales.
O termo "vale" refere-se às depressões na onda-
elétron, um valor determinado pela simetria do
cristal - essas ondulações na banda de condução do
grafeno alcançam valores que são denominados
"índices de vale".
A eletrônica usa a carga dos elétrons para
representar informações, mas quando as cargas
fluem através de um material, uma parte da energia
é dissipada na forma de calor, um problema para
todos os dispositivos eletrônicos atuais. No entanto,
se a mesma quantidade de elétrons fluir em um
canal em direções opostas, nenhum calor será
dissipado. Infelizmente, isso significaria que
nenhuma informação poderia ser transferida.
Um componente valetrônico resolve essa deficiência
transmitindo as informações em correntes de vale
puras, ou seja, uma corrente na qual os elétrons
com o mesmo vale fluem na mesma direção -
levando a informação sem dissipar calor.
"A corrente de vales, ao contrário da corrente de
cargas, é não dissipativa. Isso significa que
nenhuma energia é perdida durante a transferência
de informações. Com o consumo de energia
tornando-se uma questão importante na eletrônica
moderna, componentes baseados nas correntes de
vales abrem um novo caminho para futuros
equipamentos de computação de consumo ultra-
baixo," disse o professor Seigo Tarucha,
coordenador da equipe.
Vale lembrar, o que é a Valetrônica?
Segundo artigo da hypescience, detalha o assunto;
Em um artigo da Physical Review Letters os pesquisadores Daniel Gunlycke e Carter T. White fundamentam os pilares de uma nova área de pesquisa – a Valetrônica.
Como boa parte das novidades tecnológicas que tem surgido ultimamente essa pesquisa está também relacionada ao grafeno.
Recordando nossas aulas de Química, sabemos que o grafeno – a nova vedete tecnológica – é simplesmente o nome dado à cada uma das camadas que compõe a estrutura cristalina do grafite. A IUPAC o define como sendo:
“Uma única camada da estrutura grafítica, da espessura de um átomo, sendo considerada como o último membro da série de naftalenos, antracenos, coronenos, etc., e o termo grafeno deve, portanto, ser utilizado para designar a camada individual de carbono em compostos de intercalação de grafite. O uso do termo “camada de grafeno” é também considerada para a terminologia geral dos carbonos”.
Numa analogia, imagine o grafeno como sendo uma tela de arame. Empilhadas seria o grafite. Se com uma tela confeccionarmos um tubo, teremos o nanotubo de carbono. Se confeccionarmos uma bola teremos mais um estado alotrópico do carbono: o fulereno – e assim sucessivamente.
Como já noticiado aqui no Hypescience pesquisadores descobriram que inserir “defeitos” intencionais na estrutura do grafeno pode permitir a criação de componentes eletrônicos menores e mais rápidos.
No entanto Gunlycke e White decidiram aproveitar os “defeitos” naturais que produzem comportamentos discretos ao longo das folhas de grafeno.
Esses defeitos produzem “vales” nas bandas de condução e de valência do grafeno – daí este novo campo da tecnologia ser batizado de valetrônica.
O comportamento convencional dos semicondutores está fundamentado no fluxo de cargas elétricas, representadas pelos elétrons (carga negativa) e lacunas (carga positiva).
Entre estas duas pistas de condução existe um “gap” ou banda de condução que determina o comportamento do semicondutor – se conduz ou não a corrente elétrica – por exemplo.
No grafeno, essa banda não é homogênea, mas repleta de vales, os denominados “defeitos naturais”, provavelmente provocados por flutuações térmicas.
O termo “vale” refere-se a depressões de energia na estrutura de banda (que descreve a energia dos elétrons que ali atuam como ondas) permitidas pela simetria do cristal e assim formando graficamente dois pares de cones.
A polarização pelos vales é realizada quando elétrons e lacunas em um vale são separados espacialmente dos elétrons e lacunas de outro vale. Esse processo é complicado de ser obtido na prática porque ambos os vales possuem a mesma energia.
Com a nova descoberta, essa separação espacial pode ser realizada em estruturas de grafeno que possuam uma simetria de reflexão ao longo de uma direção cristalográfica específica, sem ligações que intercruzem a região de simetria.
A simetria de reflexão permite que somente ondas eletrônicas (elétrons) simétricas percorram a linha de defeito – as demais ondas são refletidas.
Estima-se que elétrons e lacunas que se aproximem dessa linha de defeito com um grande ângulo de incidência serão polarizados com uma eficiência próxima aos 100%.
Na prática, isso significa que há outro estado quântico caracterizando os elétrons do grafeno, intimamente associado à dimensão desses vales. Esse “índice de vale” corresponde a um momento magnético distinto, consequentemente a um novo número quântico.
O interesse nesse novo número quântico é crescente tendo em vista que esse novo momento magnético é pelo menos 30 vezes mais forte do que os mensurados anteriormente, ou seja, um efeito com grande potencial para aplicações tecnológicas, em substituição à eletrônica e eventualmente complementar a outro ramo emergente – a spintrônica (que abordaremos em artigos futuros).
A valetrônica promete ainda muitas novidades, desde a fabricação de supercondutores à temperatura ambiente até superprocessadores que transformarão o tão sonhado computador quântico em uma realidade. É esperar para ver.
Fontes :
J.A.
