Valleytronics: forma inovadora de armazenar e processar informações até a temperatura ambiente

Um dos caminhos explorados para alcançar esses dispositivos é um campo relativamente novo chamado “valleytronics”. A estrutura da banda eletrônica de um material – a faixa de níveis de energia nas configurações eletrônicas de cada átomo – pode aumentar ou diminuir. Esses picos e depressões são conhecidos como “vales”. Alguns materiais possuem vários vales com a mesma energia. Um elétron em um sistema como este pode ocupar qualquer um desses vales, apresentando uma forma única de armazenar e processar informações com base no vale que o elétron ocupa. Um desafio, no entanto, tem sido o esforço e o custo de manter as baixas temperaturas necessárias para manter estável a polarização do vale. Sem essa estabilidade, os dispositivos começariam a perder informações. Para tornar uma tecnologia como esta viável para aplicações práticas e acessíveis, os especialistas precisariam encontrar uma maneira de contornar esta restrição.

Explorando paisagens 2D para os vales perfeitos

Os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) são materiais interessantes em camadas que podem ter, em sua forma mais fina, apenas alguns átomos de espessura. Cada camada do material consiste em uma folha bidimensional (2D) de átomos de metais de transição imprensados ​​entre átomos de calcogênio. Enquanto o metal e o calcogênio estão fortemente ligados por ligações covalentes em uma camada, as camadas adjacentes estão apenas fracamente ligadas pelas interações de van der Waal. As ligações fracas que mantêm essas camadas unidas permitem que as DTM sejam esfoliadas até formar uma monocamada com apenas uma “molécula” de espessura. Estes são frequentemente chamados de materiais 2D.

A equipe do CFN sintetizou monocristais de perovskitas quirais de haleto de chumbo (R/S-NEAPbI₃). A quiralidade descreve um conjunto de objetos, como moléculas, que são imagens espelhadas umas das outras, mas não podem ser sobrepostas. É derivado da palavra grega para “mãos”, um exemplo perfeito de quiralidade. As duas formas são idênticas, mas se você colocar uma mão em cima da outra, elas não se alinharão. Esta assimetria é importante para controlar a polarização do vale.

Flocos deste material, com cerca de 500 nanômetros de espessura ou cinco milésimos da espessura de um fio de cabelo humano, foram colocados em camadas sobre uma monocamada de dissulfeto de molibdênio (MoS₂) TMD para criar o que é conhecido como heteroestrutura. Ao combinar diferentes materiais 2D com propriedades que afetam a transferência de carga na interface entre os dois materiais, essas heteroestruturas abrem um mundo de possibilidades.

Depois de criar e caracterizar essa heteroestrutura, a equipe ficou ansiosa para ver como ela se comportava.

Um grau de liberdade

“As DTM têm dois vales com a mesma energia”, explicou Shreetu Shrestha, pesquisador de pós-doutorado no CFN e autor deste artigo. “Um elétron pode estar em um vale ou outro, o que lhe confere um grau adicional de liberdade. As informações podem então ser armazenadas com base no vale que um elétron ocupa.”

Para obter uma imagem melhor do comportamento do material, a equipe aproveitou as ferramentas das instalações de Espectroscopia Óptica Avançada e Microscopia do CFN. Os cientistas usaram um laser polarizado linearmente para excitar a heteroestrutura que fabricaram e então mediram a luz emitida pelo dissulfeto de molibdênio TMD usando um microscópio confocal. Eles realizaram o mesmo processo com um TMD que não tinha a camada quiral de perovskita de haleto de chumbo adicionada.

Durante estas experiências avançadas, os investigadores notaram algo interessante sobre a forma como a luz era emitida. A heteroestrutura teve emissão menor que a DTM nua. Os pesquisadores atribuíram esse comportamento à carga transferida do TMD para a perovskita na heteroestrutura. Usando espectroscopia ultrarrápida, os pesquisadores descobriram que a carga é transferida muito rapidamente – apenas alguns trilionésimos de segundo.

A equipe também descobriu que a intensidade dos componentes polarizados circularmente esquerdo e direito da luz emitida depende da lateralidade da perovskita quiral usada. A natureza quiral da perovskita agia como um filtro para elétrons com spin diferente. Dependendo da lateralidade da perovskita quiral, os elétrons que giram para cima ou para baixo foram preferencialmente transferidos de um vale sobre os elétrons com spin oposto no outro vale. Esse fenômeno permitiria aos pesquisadores preencher vales seletivamente e usar sua ocupação da mesma forma que os transistores atuais nos computadores armazenam os 1s e 0s dos bits binários.

“Um ponto importante a destacar nesta experiência é que estes resultados foram obtidos à temperatura ambiente, que é para onde todo o campo deve se mover”, disse Mircea Cotlet, cientista de materiais do Laboratório Brookhaven e investigador principal do projeto. “Manter o hardware nas baixas temperaturas que estavam sendo usadas é muito mais complexo e caro. É encorajador ver esses tipos de propriedades de materiais à temperatura ambiente.”

Embora a investigação da Valleytronics ainda esteja numa fase inicial, os investigadores já estão a pensar em possíveis aplicações. Esta tecnologia poderá melhorar os dispositivos existentes de forma surpreendente, expandindo as capacidades dos computadores clássicos, mas também poderá ser um componente do hardware do futuro.

“Isso ajudaria a tornar a computação clássica mais eficiente”, disse Shrestha, “mas esta tecnologia também poderia ser aproveitada para a ciência da informação quântica, que inclui a computação quântica, ou mesmo a detecção quântica. Esses materiais atomicamente finos têm propriedades quânticas únicas, que deveríamos ser capaz de aproveitar.”

Promovendo a colaboração e a