Controle da eletricidade no silício
Cientistas descobriram como manipular o fluxo da eletricidade através do silício. Isso é surpreendente porque, sendo o cerne de toda a tecnologia moderna, o silício é um dos materiais mais pesquisados pela humanidade.
Assim, a descoberta deverá ter largo impacto prático, podendo abrir caminho para a criação de componentes eletroeletrônicos menores, mais rápidos e mais eficientes.
A chave para isso está em tirar proveito do comportamento quântico dos elétrons – na escala quântica, os elétrons se comportam mais como ondas do que como partículas.
O que Matthew Hight e colegas da Universidade da Califórnia de Riverside descobriram é que a estrutura simétrica das moléculas de silício pode ser ajustada para criar ou suprimir um fenômeno conhecido como interferência destrutiva, quando duas ondas de diferentes fases se encontram, anulando-se.
O efeito permite ligar ou desligar a condutividade elétrica, fazendo cada bloco interno do silício funcionar como um transístor em escala molecular – embora os transistores tenham uma propriedade essencial de amplificar a corrente elétrica, seu uso mais comum é como um interruptor mesmo, com ligado equivalendo a um 1 e desligado equivalendo a um 0.
“Nós descobrimos que, quando pequenas estruturas de silício são moldadas com alta simetria, elas podem cancelar o fluxo de elétrons, como os fones de ouvido com cancelamento de ruído. O mais empolgante é que podemos controlar isso,” disse o professor Tim Su, coordenador da equipe.
De baixo para cima
A tecnologia microeletrônica atual se baseia na gravação de circuitos minúsculos em pastilhas de silício, ou na dopagem, o que significa adicionar pequenas quantidades de outros elementos para controlar a condução elétrica do silício. Essas técnicas funcionam bem há décadas, mas estão se aproximando dos limites físicos, tanto na litografia quanto na adição de átomos, que não conseguem resolver os efeitos quânticos indesejados advindos da miniaturização extrema.
Em vez de esculpir seus componentes de cima para baixo, retirando silício da pastilha, a equipe usou a química para construir moléculas de silício do zero. Essa abordagem de baixo para cima tem a vantagem de fornecer um controle preciso sobre como os átomos ficam dispostos e, principalmente, sobre a maneira como os elétrons irão se mover através das estruturas de silício.
“Nosso trabalho mostra como a simetria molecular no silício leva a efeitos de interferência que controlam como os elétrons se movem através dele,” disse Su. “E podemos ativar ou desativar essa interferência controlando como os eletrodos se alinham com a nossa molécula.”
Termoeletricidade e mais
A ideia de usar interferência quântica em eletrônicos não é nova, mas esta é uma das primeiras demonstrações do efeito em silício tridimensional, a mesma estrutura usada nos chips comerciais.
Além de transistores ultraminiaturizados, a técnica de baixo para cima promete ajudar no desenvolvimento de dispositivos termoelétricos, que convertem calor residual em eletricidade, ou até mesmo componentes para a computação quântica construídos a partir de materiais mais comuns.
“Isso nos dá uma maneira fundamentalmente nova de pensar sobre a comutação e o transporte de carga,” disse Su. “Não é apenas um ajuste. É uma reformulação do que o silício pode fazer.”
Bibliografia:
Artigo: Quantum Interference in a Molecular Analog of the Crystalline Silicon Unit Cell
Autores: Matthew O. Hight, Ashley E. Pimentel, Timothy C. Siu, Joshua Y. Wong, Jennifer Nguyen, Veronica Carta, Timothy A. Su
Revista: Journal of the American Chemical Society
DOI: 10.1021/jacs.5c04272