Cientistas do Centro RIKEN para Ciências de Materiais Emergentes e seus colaboradores desenvolveram uma técnica para construir dispositivos tridimensionais em nanoescala diretamente a partir de materiais monocristalinos. O método depende de instrumentação de feixe de íons focado para remover material com precisão em uma área extremamente pequena. Usando este método, a equipe esculpiu pequenas estruturas helicoidais a partir de cristais magnéticos topológicos feitos de cobalto, estanho e enxofre, com a fórmula química Co.3estanho2S2. Testes mostraram que essas estruturas se comportam como diodos comutáveis, o que significa que a eletricidade flui mais facilmente em uma direção do que em outra.
Dispositivos eletrônicos construídos com formas tridimensionais complexas poderiam ser menores, mais eficientes e mais poderosos do que os tablets atuais. Apesar desse potencial, os pesquisadores estão limitados na forma como podem criar tais estruturas. Os métodos de fabricação existentes muitas vezes limitam os materiais que podem ser usados e podem afetar a qualidade do dispositivo final.
Corte de precisão usando feixes de íons focados
Neste novo estudo, publicado em nanotecnologia da naturezaOs pesquisadores enfrentaram esses desafios usando um feixe de íons focado, capaz de cortar com precisão submícron. Em princípio, este nível de controle permite a criação de dispositivos tridimensionais a partir de praticamente qualquer material cristalino. O processo é semelhante ao entalhe, com o material cuidadosamente removido do bloco sólido até obter o formato desejado.
Para demonstrar a funcionalidade do método, a equipe fabricou nanodispositivos espirais usando o cristal magnético Co3estanho2S2. Com base nas propriedades conhecidas do material, eles esperavam que a geometria torcida criasse um efeito especial de diodo chamado transporte elétrico irreversível, impulsionado por formas quirais em nanoescala. Experimentos confirmaram essa previsão. A corrente elétrica flui mais facilmente em uma direção, e esse efeito pode ser revertido alterando a magnetização ou alterando a lateralidade da hélice. Os pesquisadores também observaram interações reversas, onde fortes pulsos elétricos podem alterar a magnetização da estrutura. Os diodos são componentes importantes na eletrônica moderna e são usados na conversão AC/DC, processamento de sinais e equipamentos LED.
Como a forma controla o movimento dos elétrons
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. Estas descobertas sugerem que a forma física de um componente pode afetar diretamente a forma como a eletricidade flui através dele. Os resultados mostram que a própria geometria pode ser usada como uma ferramenta de design para fornecer componentes de baixo consumo e engenharia de formato para futuras tecnologias de memória, lógica e detecção.
“Ao tratar a geometria como uma fonte de quebra de simetria junto com as propriedades intrínsecas do material, podemos projetar a não reciprocidade elétrica no nível do dispositivo”, disse Max Birch, primeiro autor do estudo. “Nosso recém-desenvolvido método de nanoescultura por feixe de íons focado abre uma ampla gama de pesquisas sobre como geometrias de dispositivos tridimensionais e curvas podem ser usadas para alcançar novas funções eletrônicas.”
Yoshinori Tokura, líder do grupo de pesquisa, acrescentou: “De forma mais ampla, esta abordagem permite o design de dispositivos que combina estados eletrônicos topológicos ou fortemente correlacionados com curvaturas projetadas em regimes de transmissão balísticos ou hidrodinâmicos. A fusão da física dos materiais e da nanofabricação aponta para arquiteturas de dispositivos funcionais, com implicações potenciais para memória, lógica e tecnologias de detecção. “
