Tecnologia Científica

Iluminando: manipulação rápida de material por meio de um laser
Pesquisadores descobriram que mudanças ultrarrápidas nas propriedades dos materiais podem ser acionadas por pulsos de laser - e por quê. Esse conhecimento pode permitir novos conceitos de transistores.
Por Max Planck Society - 21/04/2021


Uma explosão de luz de femtossegundo conduz uma transição eletrônica exótica em um cristal semimetálico, em uma escala de tempo sem precedentes. Crédito: © Beaulieu

Pesquisadores do Departamento de Físico-Química do Instituto Fritz Haber e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo descobriram que mudanças ultrarrápidas nas propriedades dos materiais podem ser acionadas por pulsos de laser - e por quê. Esse conhecimento pode permitir novos conceitos de transistores.

Tornar a velocidade da tecnologia eletrônica o mais rápido possível é um objetivo central da pesquisa de materiais contemporâneos. Os principais componentes das tecnologias de computação rápida são os transistores: dispositivos de comutação que ligam e desligam correntes elétricas muito rapidamente como etapas básicas de operações lógicas. A fim de melhorar nosso conhecimento sobre os materiais de transistores ideais, os físicos estão constantemente tentando determinar novos métodos para realizar essas mudanças extremamente rápidas. Pesquisadores do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck em Berlim e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo descobriram que um novo tipo de interruptor ultrarrápido pode ser realizado com luz.

Os físicos envolvidos no projeto estão estudando a melhor forma de fazer com que os materiais mudem suas propriedades - para tornar os metais magnéticos não magnéticos, por exemplo, ou para mudar a condutividade elétrica de um cristal. As propriedades elétricas de um material estão fortemente relacionadas ao arranjo dos elétrons no cristal. Controlar o arranjo dos elétrons tem sido um tópico importante por décadas. A maioria dos métodos de controle, entretanto, são bastante lentos.

"Sabíamos que influências externas, como variações de temperatura ou pressão, funcionam", diz o Dr. Ralph Ernstorfer, líder de grupo do Departamento de Físico-Química do Instituto Fritz Haber, "mas isso leva tempo, pelo menos alguns segundos". Quem usa regularmente um smartphone ou computador sabe que alguns segundos podem parecer uma eternidade. Portanto, o grupo do Dr. Ernstorfer explorou como mudar as propriedades do material muito mais rápido por meio da luz.

Usando o novo equipamento do Instituto Fritz Haber, os pesquisadores reduziram enormemente o tempo de comutação para apenas 100 femtossegundos, disparando pulsos de laser óptico ultracurto em seu material escolhido, um cristal semimetálico composto de átomos de tungstênio e telúrio. O brilho da luz no cristal o encoraja a reorganizar sua estrutura eletrônica interna, o que também altera a condutividade do cristal. Além disso, os cientistas foram capazes de observar exatamente como sua estrutura eletrônica mudou.

"Usamos um novo instrumento para tirar fotos da transição em cada etapa do caminho", explica o Dr. Samuel Beaulieu, que trabalhou como pós-doutorado com Ralph Ernstorfer no Fritz-Haber-Institut (2018-2020) e que agora é Pesquisador permanente do Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) do CNRS-Bordeaux University. “Este é um progresso incrível - costumávamos saber apenas como ficava a estrutura eletrônica do material depois, mas nunca durante a transição”, acrescenta. Além disso, a modelagem de ponta deste novo processo pelo Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, Dr. Michael Sentef e Prof. Dr. Angel Rubio do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria revelou a origem deste novo tipo de transição eletrônica ultrarrápida. O pulso de laser incidindo sobre os materiais muda a maneira como os elétrons interagem uns com os outros. Essa é a força motriz dessa transição exótica, conhecida como transição Lifshitz.

Este método deve gerar uma grande quantidade de conhecimento sobre possíveis materiais futuros de transistores. O fato de que a luz pode impulsionar transições eletrônicas ultrarrápidas é um primeiro passo para uma tecnologia ainda mais rápida e eficiente.

O estudo foi publicado na Science Advances .

 

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