Utilizando baixas temperaturas para sondar materiais 2D para aplicações em dispositivos.

Meu computador parece estar sempre lento. Não importa o quão potente ele seja, eu ainda perco tempo esperando aplicativos e documentos abrirem.

Imagine se esses dispositivos funcionassem 100 vezes mais rápido?

Nossos computadores e outros dispositivos eletrônicos são, em sua essência, feitos de microcircuitos, circuitos integrados altamente miniaturizados. Esses dispositivos compactam centenas, milhares, milhões ou até bilhões de componentes eletrônicos em minúsculos chips de silício, não maiores que uma unha. Em sua essência, são veículos para condução e transporte de eletricidade.

Assim, a velocidade com que a eletricidade viaja por esses microcircuitos determina parcialmente a velocidade de funcionamento dos seus dispositivos eletrônicos.

As áreas de pesquisa investigam as propriedades fundamentais de melhores materiais para esses dispositivos e os ambientes em que esses microcircuitos operam. Esse é o foco do trabalho de Rui He.

Ele possui doutorado em física aplicada e é professor associado de engenharia elétrica e de computação na Texas Tech University, em Lubbock, Texas. A cidade, seca, plana e propensa a tempestades de areia, abriga pesquisas que adotam uma abordagem diferente para explorar as propriedades físicas dos melhores materiais para uso em dispositivos.

“As pessoas se esforçam para tornar os dispositivos mais rápidos e com maior eficiência energética”, disse ela. “Se pudermos estudar as propriedades fundamentais e verificar se os materiais propostos seriam adequados para esses tipos de aplicações, isso pode ajudar as pessoas a projetar ou fabricar dispositivos.”

Ele estuda as propriedades vibracionais, eletrônicas e magnéticas de diversos materiais em baixas temperaturas: cerca de 10 graus Kelvin, o que equivale a -263,15 graus Celsius ou -441,67 graus Fahrenheit. Isso é próximo do zero absoluto.

Por que testar os materiais a temperaturas tão baixas?

“As propriedades físicas dos materiais podem mudar significativamente em função da temperatura”, disse ela. “Por exemplo, as estruturas cristalinas podem mudar devido a uma transição de fase estrutural, e alguns materiais exibem propriedades magnéticas em baixas temperaturas, mesmo na ausência de um campo magnético externo. Um exemplo disso é o triiodeto de cromo, que se torna magnético em temperaturas abaixo de aproximadamente 45 Kelvin. Para investigar as propriedades físicas desses materiais, precisamos resfriar as amostras a baixas temperaturas.”

Mas por que estudar os materiais em temperaturas tão baixas, quando a maioria dos dispositivos reais terá que funcionar em temperatura ambiente?

“Neste momento, ainda estamos no começo”, disse ela. “Essas propriedades podem existir apenas em baixas temperaturas, mas com o rápido avanço das técnicas de fabricação, caracterização e estudos fundamentais de materiais, esperamos ver materiais que possam exibir as propriedades eletrônicas e magnéticas desejadas em temperaturas mais altas.”

Ele trabalha com materiais 2D. Esses materiais são compostos por camadas cujos átomos dentro das camadas são fortemente ligados, enquanto as interações entre cada camada são muito mais fracas. Controlando o número de camadas atômicas, é possível ajustar as propriedades ópticas e eletrônicas. Ela estuda materiais 2D tradicionais, como o grafeno e o dissulfeto de molibdênio. Recentemente, expandiu seus estudos para novos materiais magnéticos 2D, como o triiodeto de cromo. Este apresenta propriedades magnéticas abaixo de uma temperatura crítica.

Ele, em colaboração com seus colegas, a Dra. Liuyan Zhao da Universidade de Michigan e o Dr. Adam Tsen da Universidade de Waterloo, no Canadá, teve recentemente suas descobertas de pesquisa publicadas na Nature Communications, uma revista multidisciplinar.

“A pesquisa que publicamos visa relatar nosso estudo recente sobre excitações magnéticas em um material ferromagnético – uma substância com alta permeabilidade magnética – bidimensional, o triiodeto de cromo”, disse ele. “Descobrimos ondas de spin na frequência de terahertz, que são muito mais altas em frequência do que aquelas em materiais ferromagnéticos convencionais.”

Segundo ele, isso abrirá novas oportunidades para a fabricação de dispositivos espintrônicos ultrarrápidos – dispositivos que usam o spin dos elétrons para gerar correntes de spin muito mais rápidas do que as dos dispositivos espintrônicos de gigahertz e muito mais eficientes em termos de energia do que os eletrônicos atualmente disponíveis no mercado.

"Os computadores funcionam com processadores de gigahertz, então, se pudermos usar a tecnologia baseada nos novos materiais ferromagnéticos 2D, poderemos aumentar a velocidade de processamento para 100 vezes ou até mais", disse ele. "A espintrônica também pode ajudar a reduzir o calor desses dispositivos e diminuir o consumo de energia."

Ele utiliza espectroscopia Raman para estudar as propriedades físicas de suas amostras. Ela possui um HORIBA LabRAM HR Evolution, um microscópio Raman confocal ideal para medições em micro e macroescala. Ele também oferece recursos avançados de imagem confocal em 2D e 3D.

“A espectroscopia Raman nos permite estudar uma ampla gama de propriedades dos materiais e é uma técnica não destrutiva”, disse ele. “Isso a torna muito importante para a caracterização e os estudos fundamentais de materiais. Com as características de frequência ultrabaixa que temos, podemos sondar excitações de frequência ultrabaixa no material e estudar diversas propriedades, desde interações entre camadas até excitações eletrônicas e magnéticas.”

Podem passar-se anos até que os princípios que ele está a descobrir entrem em uso prático. Ela está a trabalhar a um nível científico muito básico, realizando investigação fundamental.

“E depois há engenheiros que usam essas propriedades e tentam construir dispositivos melhores”, disse ela.

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