Os transístores são dispositivos essenciais para a informática. Toda a informação processada pelos computadores passa por eles, na forma de corrente elétrica. Os transístores controlam esse fluxo, bloqueando ou liberando a passagem da corrente. Porém, há muita perda de energia e quanto menor o dispositivo, mais difícil é o controle, prejudicando seu funcionamento. Por essa razão, uma pesquisa do Instituto de Física (IF) da USP e do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) propõe um novo tipo de dispositivo. Ele é feito com materiais que canalizam o fluxo da corrente e impedem sua dispersão, o que possibilita controlar a direção das partículas de energia por meio da geração de campos elétricos. No futuro, o uso deste método poderá tornar os transístores menores e mais rápidos, desperdiçando menos energia e melhorando o desempenho dos computadores.
“O transístor é um componente essencial da maioria dos aparelhos tecnológicos, inclusive na área de informática”, conta o físico Carlos Mera Acosta, que realizou a pesquisa, em cooperação com o professor e pesquisador Adalberto Fazzio. O dispositivo possui dois eletrodos e uma região central, que controla a passagem da corrente elétrica. “Os computadores entendem a informação como sequências de ‘0’ e ‘1’. Quando o transístor não permite a passagem de corrente é ‘0’, e quando deixa passar é ‘1’. Dessa forma, através de correntes elétricas, o computador é capaz de receber e processar informações.”
Segundo o físico, os transístores atuais apresentam alguns problemas que limitam seu desempenho. “Durante a passagem da corrente elétrica, há muitas colisões dos elétrons que a formam com outras partículas dos átomos. Isso leva a uma considerável perda de energia, na forma de calor”, explica. Quando as dimensões do dispositivo são muito reduzidas, os eletrodos ficam muito próximos e ocorre um fenômeno chamado de tunelamento quântico. “Isso quer dizer que os elétrons encontram um caminho com dimensões extremamente reduzidas, que não permite bloquear a corrente, inviabilizando o funcionamento do dispositivo.”
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Para tentar resolver esses problemas, os cientistas começaram a pesquisar materiais que evitem a perda de energia e novas formas de controlar as correntes elétricas. “Existe uma propriedade dos elétrons chamada de spin. Ela é um movimento magnético que pode ser orientado em várias direções”, diz Acosta. “Alguns materiais possuem uma simetria que obriga os elétrons a seguir direções específicas. Assim, o movimento para cima ou para baixo, direcionado por campos elétricos, substituiria o ‘0’ e o ‘1’.”
A pesquisa do IF propõe o controle do spin por meio de isolantes topológicos, materiais cuja simetria impede que os elétrons se espalhem. O conceito foi pesquisado pelos físicos David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz, que ganharam o Nobel de Física em 2016. Com base nesses estudos, outros dois físicos, Charles Kane e Eugene Mele, propuseram um isolante topológico com superfície metálica (que conduz energia) e interior isolante.
O material que serviu de referência no trabalho dos pesquisadores do IF foi um cristal binário de sódio e bismuto, que possui duas simetrias, a de reversão temporal e a de espelho. “Quando o campo elétrico é aplicado, a simetria de espelho é rompida e permite selecionar o spin”, descreve o físico. “Ao mesmo tempo, a simetria de reversão temporal se mantém e impede a dispersão dos elétrons e a perda de energia.”
Acosta observa que a pesquisa propõe um modelo de dispositivo que pode ser realizado experimentalmente. “Entre a proposta teórica e sua aplicação em produtos há um longo caminho de testes, que devem levar alguns anos”, diz. “No entanto, o modelo possibilita a realização experimental. Ele envolve campos elétricos pequenos, fáceis de serem produzidos, e sugere a utilização de um material já existente para construir o dispositivo.”
Futuramente, de acordo com o físico, o modelo proposto poderá aumentar a eficiência dos transístores usados na indústria eletroeletrônica e de informática. “Os dispositivos spintrônicos seriam muito mais rápidos que os atuais, bem menores e sem perda de energia”, conclui. A pesquisa é descrita na tese de doutorado de Acosta, orientada pelo professor Fazzio, hoje diretor do LNNano, vinculado ao Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicações (MCTIC). Os resultados do estudo também são apresentados no artigo Spin-Polarization Control Driven by a Rashba-Type Effect Breaking the Mirror Symmetry in Two-Dimensional Dual Topological Insulators, publicado na revista Physical Review Letters.
