Transistores, os blocos de construção da eletrônica moderna, são normalmente feitos de silício. Por ser um semicondutor, esse material pode controlar o fluxo de eletricidade em um circuito. Mas o silício tem limites físicos fundamentais que restringem o quão compacto e energeticamente eficiente um transistor pode ser.

Pesquisadores do MIT substituíram o silício por um semicondutor magnético, criando um transistor magnético que pode permitir circuitos menores, mais rápidos e mais eficientes em termos de energia. O magnetismo do material influencia fortemente seu comportamento eletrônico, levando a um controle mais eficiente do fluxo de eletricidade. 

A equipe usou um novo material magnético e um processo de otimização que reduz os defeitos do material, o que aumenta o desempenho do transistor.

As propriedades magnéticas exclusivas do material também permitem transistores com memória integrada, o que simplificaria o design de circuitos e desbloquearia novas aplicações para eletrônicos de alto desempenho.

“As pessoas conhecem ímãs há milhares de anos, mas há maneiras muito limitadas de incorporar magnetismo à eletrônica. Mostramos uma nova maneira de utilizar o magnetismo de forma eficiente, o que abre muitas possibilidades para futuras aplicações e pesquisas”, afirma Chung-Tao Chou, aluno de pós-graduação do MIT nos departamentos de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e Física, e coautor principal de um artigo sobre esse avanço.

Chou é acompanhado no artigo pelo coautor principal Eugene Park, aluno de pós-graduação do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE); Julian Klein, pesquisador do DMSE; Josep Ingla-Aynes, pós-doutorado no Centro de Ciência e Fusão de Plasma do MIT; Jagadeesh S. Moodera, pesquisador sênior do Departamento de Física; e pelos autores seniores Frances Ross, professora do TDK em DMSE; e Luqiao Liu, professor associado do EECS e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; além de outros pesquisadores da Universidade de Química e Tecnologia de Praga. O artigo foi publicado hoje na Physical Review Letters .

Em um dispositivo eletrônico, transistores semicondutores de silício atuam como pequenos interruptores de luz que ligam e desligam um circuito ou amplificam sinais fracos em um sistema de comunicação. Eles fazem isso usando uma pequena tensão de entrada.

Mas um limite físico fundamental dos semicondutores de silício impede que um transistor opere abaixo de uma certa voltagem, o que prejudica sua eficiência energética.

Para tornar eletrônicos mais eficientes, pesquisadores passaram décadas trabalhando em transistores magnéticos que utilizam o spin do elétron para controlar o fluxo de eletricidade. O spin do elétron é uma propriedade fundamental que permite que os elétrons se comportem como pequenos ímãs.

Até agora, os cientistas têm se limitado ao uso de certos materiais magnéticos. Estes não possuem as propriedades eletrônicas favoráveis dos semicondutores, o que limita o desempenho dos dispositivos.

“Neste trabalho, combinamos magnetismo e física de semicondutores para criar dispositivos spintrônicos úteis”, diz Liu.

Os pesquisadores substituem o silício na camada superficial de um transistor por brometo de enxofre e cromo, um material bidimensional que atua como um semicondutor magnético.

Devido à estrutura do material, os pesquisadores conseguem alternar entre dois estados magnéticos de forma muito precisa. Isso o torna ideal para uso em um transistor que alterna suavemente entre "ligado" e "desligado".

"Um dos maiores desafios que enfrentamos foi encontrar o material certo. Tentamos muitos outros materiais que não funcionaram", diz Chou.

Eles descobriram que a alteração desses estados magnéticos modifica as propriedades eletrônicas do material, permitindo uma operação com baixo consumo de energia. E, ao contrário de muitos outros materiais bidimensionais, o brometo de enxofre e cromo permanece estável no ar.

Para criar um transistor, os pesquisadores modelam eletrodos em um substrato de silício e, em seguida, alinham e transferem cuidadosamente o material bidimensional sobre ele. Eles usam fita adesiva para pegar um pequeno pedaço de material, com apenas algumas dezenas de nanômetros de espessura, e colocá-lo sobre o substrato.

"Muitos pesquisadores usam solventes ou cola para fazer a transferência, mas os transistores exigem uma superfície muito limpa. Eliminamos todos esses riscos simplificando esta etapa", diz Chou.

Essa ausência de contaminação permite que seu dispositivo supere os transistores magnéticos existentes. A maioria dos outros só consegue criar um efeito magnético fraco, alterando o fluxo de corrente em alguns pontos percentuais ou menos. Seu novo transistor pode comutar ou amplificar a corrente elétrica por um fator de 10.

Eles usam um campo magnético externo para alterar o estado magnético do material, comutando o transistor usando significativamente menos energia do que normalmente seria necessário.

O material também permite que eles controlem os estados magnéticos com corrente elétrica. Isso é importante porque os engenheiros não podem aplicar campos magnéticos a transistores individuais em um dispositivo eletrônico. Eles precisam controlar cada um eletricamente.

As propriedades magnéticas do material também podem permitir transistores com memória integrada, simplificando o projeto de circuitos lógicos ou de memória.

Um dispositivo de memória típico possui uma célula magnética para armazenar informações e um transistor para lê-las. O método deles pode combinar ambos em um único transistor magnético.

Com base nessa demonstração, os pesquisadores planejam estudar mais a fundo o uso de corrente elétrica para controlar o dispositivo. Eles também estão trabalhando para tornar seu método escalável, permitindo a fabricação de conjuntos de transistores.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela Semiconductor Research Corporation, pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA), pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA (NSF), pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA e pelo Ministério da Educação, Juventude e Esportes da República Tcheca. O trabalho foi parcialmente realizado nas instalações do MIT.nano.