Cientistas do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente, juntamente com seus colaboradores, desenvolveram uma técnica para criar dispositivos tridimensionais em nanoescala diretamente de materiais de cristal único. O método depende de um dispositivo de feixe de íons focado que pode remover material com precisão em uma escala extremamente pequena. Usando este método, a equipe esculpiu pequenas estruturas helicoidais a partir de um cristal magnético topológico feito de cobalto, estanho e enxofre com a fórmula química3Sn2vir2. Experimentos mostraram que essas estruturas se comportam como diodos comutáveis, o que significa que a corrente elétrica viaja mais facilmente em uma direção do que na outra.
Os eletrônicos construídos com formas tridimensionais complexas podem ser menores, mais eficientes e mais poderosos do que os dispositivos planos atuais. Apesar deste potencial, os investigadores tiveram meios limitados de criar tais estruturas. Os métodos de fabricação existentes muitas vezes limitam os materiais que podem ser usados e podem comprometer a qualidade do dispositivo final.
Corte de precisão com feixes de íons focados
Em um novo estudo, publicado Nanotecnologia da NaturezaOs pesquisadores enfrentaram esses desafios usando um feixe de íons focado, capaz de cortar com precisão submícron. Este nível de controle permite, em princípio, a fabricação de dispositivos tridimensionais a partir de praticamente qualquer material cristalino. O processo é semelhante à escultura, onde o material é cuidadosamente removido de um bloco sólido até atingir a forma desejada.
Para demonstrar as capacidades do método, a equipe fabricou nanodispositivos helicoidais da Magnetic Crystal Company3Sn2vir2. Com base nas propriedades conhecidas deste material, eles esperavam que a geometria torcida produzisse um efeito especial de diodo conhecido como transporte elétrico não recíproco, que é impulsionado pela forma quiral em nanoescala. Experimentos confirmaram essa previsão. A corrente elétrica flui mais facilmente em uma direção e o efeito pode ser revertido alterando a magnetização ou alterando a lateralidade da hélice. Os pesquisadores também observaram interações reversas, onde fortes pulsos elétricos podem reverter a magnetização da estrutura. Os diodos são componentes essenciais da eletrônica moderna e são usados na conversão AC/DC, processamento de sinais e dispositivos LED.
Como a forma controla a velocidade do elétron
Ao comparar hélices de diferentes tamanhos e medir seu comportamento em diferentes temperaturas, os pesquisadores atribuíram o efeito do diodo à dispersão desigual de elétrons ao longo das paredes quirais curvas do dispositivo. Estes resultados mostram que a forma física de um material pode afetar diretamente a forma como a eletricidade flui através dele. Os resultados sugerem que a própria geometria pode ser usada como uma ferramenta de design, permitindo componentes de baixo consumo e de engenharia de forma para futuras tecnologias de memória, lógica e detecção.
De acordo com Max Birch, o primeiro autor do estudo, “Ao tratar a geometria como uma fonte de quebra de simetria em pé de igualdade com as propriedades intrínsecas do material, podemos projetar a reciprocidade elétrica no nível do dispositivo. Nosso recém-desenvolvido método de nanoescultura por feixe de íons focado abre um estudo abrangente de como três dispositivos elétricos podem ser usados para realmente dobrar dispositivos. “
Yoshinori Tokura, que lidera o grupo de pesquisa, acrescentou: “De forma mais ampla, esta abordagem permite o projeto de dispositivos que combinam estados eletrônicos topológicos ou fortemente correlacionados com curvatura projetada em regimes de transporte balístico ou hidrodinâmico. A física dos materiais e a nanofabricação apontam para o desempenho da memória, impacto no desempenho da memória e tecnologias de detecção de impacto. “
