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Será que o estanho revolucionará a eletrônica?

O material chamado de estaneno poderia imitar propriedades de supercondutor em temperatura ambiente

Brad Plummer/SLAC
 UMA ÚNICA CAMADA DE ESTANHO: Se usado como fiação em chips de computador,  o material chamado “estaneno” poderia aumentar a velocidade e reduzir a demanda energética de gerações futuras de computadores. 
Por Charles Q. Choi

Cientistas já tentam desenvolver supercondutores a temperatura ambiente – materiais que conduzem elétrons com resistência zero, e fazem isso sem o desagradável e energeticamente caro superresfriamento – há mais de três décadas. Agora pesquisadores preveem que um novo material, chamado estaneno, composto de uma única camada de estanho, poderia atuar como supercondutor a temperatura ambiente, levando a microchips mais rápidos e eficientes. 

O estaneno é um tipo de isolante topológico, uma nova classe de materiais que intriga pesquisadores desde a década passada. Enquanto o interior desse material é um isolante elétrico, suas bordas e superfícies externas conduzem eletricidade. Se explorada da maneira correta, essa estranha propriedade de isolante pode tornar possível que elétrons fluam sem resistência.

Para compreender isso, é necessário explicar como elétrons se movem em isolantes topológicos. Assim como minúsculos imãs com polos norte e sul, elétrons giram conforme se movem por um material. Quando elétrons se deslocam nas superfícies e bordas de isolantes topológicos, a direção de seu giro [spin] se alinha com a direção do fluxo. Uma consequência desse efeito – conhecido como efeito Hall quântico de spin – é que elétrons em fluxo não podem mudar de direção facilmente. Isso é verdadeiro mesmo se eles atingirem uma impureza no material – um evento que em condutores normais faz com que os elétrons se espalhem para trás e dissipem energia.

Quando elétrons viajam ao longo da superfície de um isolante topológico tridimensional eles geralmente não conseguem recuar, mas ainda conseguem empurrar uns aos outros para os lados, desperdiçando energia. Mas em isolantes topológicos bidimensionais – superfícies que só têm uma camada de átomos de espessura – elétrons em fluxo ficam restritos a uma única pista, eliminando todas as interferências. Experimentos recentes confirmam que elétrons podem passar pelas bordas de isolantes topológicos planos com 100%  de eficiência.

Na última década, pesquisadores produziram isolantes topológicos a partir de compostos de elementos pesados ricos em elétrons, incluindo mercúrio, bismuto, antimônio, telúrio e selênio. Nenhum deles conduz eletricidade com perfeição a temperatura ambiente. Então o físico teórico Shoucheng Zhang, da Stanford University,  e colaboradores, decidiram analisar o estanho, outro elemento pesado e rico em elétrons. Os cálculos da equipe sugerem que camadas de átomos individuais de estanho são isolantes topológicos em que elétrons fluem perfeitamente a temperatura ambiente, e acima dela.

“É surpreendente que esse elemento funcione a uma temperatura tão alta”, declara Zhang. “Cientistas procuram o transporte de energia sem dissipação há muitos anos, mas normalmente os sistemas que encontramos só funcionam sob condições extremas, sejam temperaturas muito baixas ou fortes campos magnéticos”. Os cientistas detalharam suas descobertas online em 27 de setembro no periódico Physical Review Letters.

“O interessante nesse trabalho é eles mostrarem que é possível existir um material composto por apenas um elemento que seja um isolante topológico”, observa o físico Kang Wang da University of California, Los Angeles, que não participou do estudo. “Isso torna tudo muito mais fácil”.

Ainda que o estaneno e os supercondutores possam agir como condutores perfeitos de eletricidade, Zhang enfatiza que o estaneno não é um supercondutor. Enquanto as bordas do estaneno agem como uma autoestrada para os elétrons, esses elétrons ainda encontram “resistência de contato” quando se movem entre o estaneno e condutores normais. Por outro lado, em um supercondutor elétrons viajam em pares, um fenômeno que pode eliminar a resistência de contato. Em outras palavras, na prática um condutor normal age como um supercondutor quando colocado em contato com um.

De acordo com Zhang, o estaneno e materiais relacionados a ele poderiam encontrar uso em fiações que conectam as muitas partes de microchips, aumentando sua velocidade e reduzindo seu consumo de energia. “Eu espero que o estaneno possa substituir o silício”, comenta Zhang. “O estanho é barato, abundante, viável e ambientalmente correto”.

Wang explica que as unidades centrais de processamento (CPUs) de computadores ficam limitadas a velocidades de aproximadamente três gigahertz desde 2005 devido à maneira como a energia se dissipa em equipamentos eletrônicos. Se elas operassem mais rápido, o calor destruiria os dispositivos. “Reduzir a dissipação energética pode melhorar todos os equipamentos eletrônicos”, comenta Wang.

No futuro, pesquisadores poderiam modificar o estaneno para aumentar seu desempenho, observa Zhang. Adicionar átomos de flúor, por exemplo, poderia fazer com que o estaneno permitisse que elétrons fluíssem sem qualquer esforço a temperaturas maiores que 100 graus Celsius.

Essas descobertas ainda precisam de confirmação experimental, e as camadas atomicamente finas e delicadas do estaneno podem se provar difíceis de produzir. “No entanto, o mais impressionante é que na área de isolantes topológicos, todas as previsões já feitas, se realizaram”, conclui Zhang.

 

 

Imagem: Cortesia de Yong Xu/Universidade Tsinghua; Greg Stewart/SLAC