Os circuitos eletra´nicos que calculam e armazenam informações contem milhões de pequenos interruptores que controlam o fluxo da corrente elanãtrica. Uma compreensão mais profunda de como esses minaºsculos interruptores funcionam pode ajudar os pesquisadores a ultrapassar as fronteiras da computação moderna.

Agora os cientistas fizeram os primeiros instanta¢neos de a¡tomos movendo-se dentro de um desses interruptores conforme ele liga e desliga. Entre outras coisas, eles descobriram um estado de curta duração dentro do switch que pode algum dia ser explorado para dispositivos de computação mais rápidos e com maior eficiência energanãtica.

A equipe de pesquisa do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia, da Stanford University, da Hewlett Packard Labs, da Penn State University e da Purdue University descreveu seu trabalho em um artigo publicado na Science nestta quinta-feira, 15.

"Esta pesquisa éum avanço em tecnologia e ciência ultrarrápidas", disse o cientista e colaborador do SLAC, Xijie Wang. "a‰ a primeira vez que os pesquisadores usaram difração de elanãtrons ultrarrápida, que pode detectar movimentos ata´micos minaºsculos em um material espalhando um poderoso feixe de elanãtrons de uma amostra, para observar um dispositivo eletra´nico enquanto ele opera."

Para este experimento, a equipe projetou comutadores eletra´nicos em miniatura feitos de dia³xido de vana¡dio, um material qua¢ntico protota­pico cuja capacidade de alternar entre os estados de isolamento e eletricamente condutores pra³ximos a  temperatura ambiente poderia ser aproveitada como uma chave para computação futura. O material também tem aplicações na computação inspirada no cérebro por causa de sua capacidade de criar pulsos eletra´nicos que imitam os impulsos neurais disparados no cérebro humano.

Os pesquisadores usaram pulsos elanãtricos para alternar esses interruptores entre os estados isolante e condutor, enquanto tiravam fotos que mostravammudanças sutis no arranjo de seus a¡tomos ao longo de bilionanãsimos de segundo. Essas fotos, tiradas com a ca¢mera ultrarrápida de difração de elanãtrons do SLAC, MeV-UED, foram combinadas para criar um filme molecular dos movimentos ata´micos.

"Esta ca¢mera ultrarrápida pode realmente olhar dentro de um material e tirar fotos de como seus a¡tomos se movem em resposta a um forte pulso de excitação elanãtrica", disse o colaborador Aaron Lindenberg, investigador do Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) do SLAC e professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Stanford. "Ao mesmo tempo, também mede como as propriedades eletra´nicas desse material mudam com o tempo."

Com esta ca¢mera, a equipe descobriu um novo estado intermediário dentro do material. a‰ criado quando o material responde a um pulso elanãtrico, passando do estado isolante para o estado condutor.

"Os estados isolantes e condutores tem arranjos ata´micos ligeiramente diferentes e geralmente leva energia para ir de um para o outro", disse o cientista e colaborador do SLAC Xiaozhe Shen. "Mas quando a transição ocorre por meio desse estado intermediário, a troca pode ocorrer sem nenhuma alteração no arranjo ata´mico."

Embora o estado intermediário exista por apenas alguns milionanãsimos de segundo, ele éestabilizado por defeitos no material.

Para dar continuidade a essa pesquisa, a equipe estãoinvestigando como projetar esses defeitos em materiais para tornar esse novo estado mais esta¡vel e duradouro. Isso permitira¡ que eles fazm dispositivos nos quais a comutação eletra´nica possa ocorrer sem qualquer movimento ata´mico, o que operaria mais rápido e exigiria menos energia.

"Os resultados demonstram a robustez da comutação elanãtrica ao longo de milhões de ciclos e identificam possa­veis limites para as velocidades de comutação de tais dispositivos", disse o colaborador Shriram Ramanathan, professor da Purdue. "A pesquisa fornece dados valiosos sobre fena´menos microsca³picos que ocorrem durante as operações do dispositivo , o que écrucial para projetar modelos de circuito no futuro."

A pesquisa também oferece uma nova maneira de sintetizar materiais que não existem em condições naturais, permitindo aos cientistas observa¡-los em escalas de tempo ultrarrápidas e, então, potencialmente ajustar suas propriedades.

"Este manãtodo nos da¡ uma nova maneira de observar os dispositivos conforme eles funcionam, abrindo uma janela para ver como os a¡tomos se movem", disse o autor principal e pesquisador do SIMES, Aditya Sood. "a‰ empolgante reunir ideias dos campos tradicionalmente distintos da engenharia elanãtrica e da ciência ultrarrápida. Nossa abordagem permitira¡ a criação de dispositivos eletra´nicos de próxima geração que podem atender a s necessidades crescentes do mundo por computação inteligente e intensiva em dados."