Pesquisadores desenvolvem o semicondutor mais rápido e eficiente de todos os tempos

Os semicondutores – principalmente o silício – são o coração dos dispositivos eletrônicos que usamos todos os dias, incluindo aquele que você está usando atualmente para ler este artigo. Apesar de seu uso generalizado, os semicondutores apresentam certas limitações.

A estrutura atômica de qualquer material vibra, o que leva à criação de partículas quânticas conhecidas como fônons. Esses fônons, por sua vez, fazem com que as partículas que transportam energia e informações dentro dos dispositivos eletrônicos se espalhem em nanossegundos e femtossegundos. Isso leva à perda de energia na forma de calor e também limita a velocidade de transferência de informações.

Agora, cientistas da Universidade de Columbia descobriram o semicondutor mais rápido e eficiente até agora. O material superatômico, chamado Re₆Se₈Cl₂é composto de uma mistura de átomos de rênio, selênio e cloro que se agrupam e agem como um único átomo grande.

Em Ré₆Se₈Cl₂, os excitons não se dispersam quando entram em contato com os fônons. Em vez disso, eles realmente se ligam aos fônons para criar novas quasipartículas chamadas exciton-polarons acústicos. Os polarons em Re6Se8Cl2 são capazes de fluxo balístico ou livre de dispersão. Esse comportamento balístico pode significar um dia dispositivos mais rápidos e eficientes, dizem os pesquisadores.

Em experimentos, a equipe descobriu que excitons-polarons acústicos em Re₆Se₈Cl₂ moveu-se duas vezes mais rápido que os elétrons no silício e cruzou vários mícrons da amostra em menos de um nanossegundo. Como os polarons podem durar cerca de 11 nanossegundos, os pesquisadores estimam que os excitons-polarons poderiam cobrir mais de 25 micrômetros por vez.

Além disso, estas quasipartículas são controladas pela luz e não por uma corrente eléctrica e por disparos, o que significa que os dispositivos electrónicos teóricos feitos com o material poderiam atingir velocidades de processamento na gama dos femtossegundos – seis ordens de grandeza mais rápidas do que a electrónica actual. Tudo em temperatura ambiente.

“Em termos de transporte de energia, Re₆Se₈Cl₂ é o melhor semicondutor que conhecemos, pelo menos até agora”, disse o professor de química Milan Delor.

As novas quasipartículas são rápidas, mas, de forma contraintuitiva, atingem essa velocidade através do seu próprio ritmo – um pouco como a história da tartaruga e da lebre. Os elétrons podem viajar muito rapidamente através do silício, mas eles saltam muito e não chegam muito longe, no final das contas muito rápido.

Comparativamente, excitons em Re₆Se₈Cl₂ são muito lentos, mas é precisamente porque são capazes de se encontrar e emparelhar com fônons acústicos igualmente lentos. As quasipartículas resultantes são pesadas e avançam lenta mas continuamente. Desimpedidos por outros fônons ao longo do caminho, excitons-polarons acústicos em Re₆Se₈Cl₂ em última análise, movem-se mais rápido que os elétrons no silício.

Ré₆Se₈Cl₂, no entanto, é improvável que algum dia chegue a um produto comercial. O primeiro elemento da molécula, o rênio, é um dos mais raros do planeta e, como resultado, extremamente caro. Mas tendo provado o conceito, os investigadores estão prontos para ver se existem outros contendores superatómicos capazes de vencer Re.₆Se₈Cl₂recorde de velocidade.

“Este é o único material em que alguém viu o transporte sustentado de excitons balísticos à temperatura ambiente. Mas agora podemos começar a prever quais outros materiais podem ser capazes desse comportamento que simplesmente não consideramos antes”, disse Delor em um comunicado. “Existe toda uma família de materiais semicondutores superatômicos e outros materiais 2D com propriedades favoráveis ​​​​para a formação de polarons acústicos.”