Pesquisadores da FSU descobrem novos materiais, técnicas com potencial promissor para microeletrônica e tecnologias quânticas #ÚltimasNotícias

À medida que os telefones e os computadores diminuem de tamanho, a nossa necessidade de armazenamento e transferência de dados aumenta. Os dispositivos eletrônicos têm sido alimentados por semicondutores há décadas, mas à medida que o impulso para a miniaturização continua, há um limite para a produção de pequenos semicondutores.

A próxima geração de dispositivos portáteis requer uma solução inovadora. Spintrônica, ou eletrônica de spin, é um novo campo revolucionário na física da matéria condensada que pode aumentar a memória e a capacidade de processamento lógico de dispositivos nanoeletrônicos, ao mesmo tempo que reduz o consumo de energia e os custos de produção. Isso é conseguido usando materiais baratos e as propriedades magnéticas do spin de um elétron para executar funções lógicas e de memória, em vez de usar o fluxo de carga de elétrons usado na eletrônica típica. Novos trabalhos realizados por cientistas da Florida State University estão impulsionando a pesquisa em spintrônica.

Os professores Biwu Ma, do Departamento de Química e Bioquímica, e Peng Xiong, do Departamento de Física, trabalham com híbridos de iodetos metálicos orgânicos de baixa dimensão, uma nova classe de materiais híbridos que podem alimentar dispositivos optoeletrônicos como células solares, diodos emissores de luz ou LEDs. e fotodetectores. Juntos, eles identificaram novas propriedades magnéticas e eletrônicas nesses materiais, apontando para um potencial impressionante em spintrônica. Xiong, em seu trabalho solo, projetou a primeira instância de geração de spin de elétrons sem ímã em um semicondutor, facilitando o desenvolvimento de baixo custo de dispositivos eletrônicos de alta potência.

“Embora esta nova classe de materiais tenha se mostrado útil na criação de materiais ópticos para dispositivos optoeletrônicos, como LEDs, esta é a primeira vez que observamos algumas propriedades magnéticas únicas”, disse Ma, um renomado especialista em química de materiais. “Dependendo das escolhas adequadas de componentes orgânicos e de iodetos metálicos, que teoricamente poderiam ser ilimitadas, somos capazes de montá-los em estruturas cristalinas com diferentes dimensionalidades. Diferentes composições e estruturas fazem com que apresentem propriedades diversas, que podem ter diversas aplicações, desde optoeletrônica até spintrônica, e até mesmo uma combinação de ambas.”

O laboratório de Ma sintetiza materiais em configurações variadas antes de enviá-los ao laboratório de Xiong para caracterizações eletrônicas e magnéticas – alunos de pós-graduação de ambos os laboratórios lideram os experimentos. O laboratório de Xiong então fornece feedback sobre as propriedades dos materiais sintetizados. No artigo “Ordenação Antiferromagnética em um Isolador Híbrido de Cloreto de Cobre Orgânico Unidimensional”, publicado na Angewandte Chemie neste verão, Ma e Xiong revelaram propriedades recém-descobertas, destacando o potencial desses materiais como uma plataforma quântica altamente ajustável para spintrônica.

“É emocionante pensar como esta é apenas uma publicação feita sobre um material específico. Sintetizamos centenas de materiais e esperamos ver propriedades mais interessantes e aplicações úteis surgirem no futuro.”

— Biwu Ma, professor do Departamento de Química e Bioquímica

“É emocionante pensar como esta é apenas uma publicação feita sobre um material específico”, disse Ma. “Sintetizamos centenas de materiais e esperamos ver propriedades mais interessantes e aplicações úteis surgirem no futuro.”

Este trabalho colaborativo foi financiado pelo Programa FSU Seed através do Conselho de Pesquisa e Criatividade, da National Science Foundation e do Departamento de Energia dos EUA. Equipes de pesquisa lideradas pelo professor associado de química e bioquímica da FSU, Bin Ouyang, e pelo professor associado de física da Universidade Estadual da Carolina do Norte, Dali Sun, também contribuíram para esta pesquisa.

“A colaboração entre Biwu e eu é muito natural”, disse Xiong sobre a parceria em curso de quatro anos. “Há muitas idas e vindas em termos de feedback entre a síntese de materiais e a caracterização de propriedades nos dois laboratórios, o que precisamos ajustar na síntese para obter propriedades ideais e muito mais. É altamente interativo e temos muitos projetos diferentes ocorrendo ao mesmo tempo com materiais diferentes.”

Enquanto a pesquisa colaborativa da dupla se concentra no desenvolvimento de novos materiais funcionais para uso em spintrônica, a pesquisa individual de Xiong introduz uma maneira inteiramente nova de alimentar a spintrônica, explorando a interação do spin de um elétron com a quiralidade em seu ambiente para produzir spin de elétrons livres de ímã em um semicondutor. .

Atualmente, a geração de spin é normalmente criada através da interação com um ímã, e existem desvantagens significativas com tais esquemas. Por exemplo, campos marginais de ímãs externos podem facilmente perturbar o alinhamento do spin, levando a complicações se vários semicondutores forem usados ​​em um pequeno dispositivo eletrônico, como um chip de computador de alta densidade. Em “Geração de spin livre de ímã induzida por quiralidade em um semicondutor”, publicado na Advanced Materials neste verão, Xiong demonstra um caminho não magnético de geração de spin.

“Em vez de aplicar uma voltagem ao ímã para mover o elétron para dentro e para fora do semicondutor, estamos invertendo o spin do elétron em trânsito”, disse Xiong. “Descobrimos que quando você força um elétron a passar por uma estrutura quiral, que é um tipo de molécula que tem uma imagem espelhada não replicável, ele se torna polarizado por spin e vira o elétron para ‘girar’ de maneira que se alinhe com o outros elétrons. Este processo não apenas utiliza menos energia do que a geração de rotação normal e perde menos energia no processo, mas também é muito mais fácil de obter integração de alta densidade. Nosso próximo passo é conseguir a geração de spin sem ímã usando semicondutores quirais feitos no laboratório de Biwu, em vez das moléculas quirais muito frágeis.”

Este trabalho também foi apresentado como uma palestra convidada na reunião de março da American Physical Society de 2024. Contribuintes adicionais para esta pesquisa incluem cientistas da Academia Chinesa de Ciências, do Instituto Weizmann de Ciência e da Universidade da Califórnia em Los Angeles.

Para saber mais sobre o trabalho e a pesquisa de Ma no Departamento de Química e Bioquímica, visite chem.fsu.edu. Para obter mais informações sobre o trabalho de Xiong e do Departamento de Física, visite físico.fsu.edu.