Cientistas do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente, juntamente com seus colaboradores, desenvolveram uma técnica para criar dispositivos tridimensionais em nanoescala diretamente a partir de materiais de cristal único. O método depende de uma ferramenta de feixe de íons focado que pode remover material com precisão em uma escala muito pequena. Usando esta abordagem, a equipe esculpiu pequenas estruturas espirais a partir de um cristal magnético topológico de cobalto, estanho e enxofre com a fórmula química Co.3Sn2S2. Testes mostraram que essas estruturas se comportam como diodos de comutação, o que significa que a corrente elétrica flui mais facilmente em uma direção do que na outra.
Eletrônicos com formas tridimensionais complexas podem ser menores, mais eficientes e mais potentes do que os dispositivos planos atuais. Apesar desse potencial, os pesquisadores tiveram formas limitadas de criar tais estruturas. Os métodos de fabricação existentes muitas vezes limitam o uso de materiais e podem degradar a qualidade do dispositivo final.
Corte de precisão com feixes de íons focados
Em um novo estudo publicado em Nanotecnologia da naturezaos pesquisadores resolveram esses problemas usando um feixe de íons focado, capaz de cortar com precisão submícron. Este nível de controle permite, em princípio, criar dispositivos tridimensionais a partir de praticamente qualquer material cristalino. O processo lembra uma escultura, onde o material é cuidadosamente removido de um bloco sólido até que o formato desejado seja alcançado.
Para demonstrar as capacidades do método, a equipe fabricou nanodispositivos espirais a partir de cristal magnético de Co3Sn2S2. Com base nas propriedades conhecidas deste material, eles esperavam que a geometria torcida produzisse um efeito especial de diodo chamado transporte elétrico não recíproco, que é devido à quiralidade em nanoescala. Experimentos confirmaram essa previsão. A corrente elétrica fluía mais facilmente em uma direção, e o efeito poderia ser alterado alterando a magnetização ou alterando o movimento da espiral. Os pesquisadores também observaram a interação reversa, onde fortes pulsos elétricos poderiam reverter a magnetização da estrutura. Os diodos são componentes importantes da eletrônica moderna e são usados na conversão CA para CC, processamento de sinais e dispositivos LED.
Como a forma controla o movimento dos elétrons
Ao comparar espirais 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 dos dispositivos. Estas descobertas mostram que a forma física de um componente 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 para fornecer componentes de baixo consumo e engenharia de formato para futuras tecnologias de memória, lógica e sensores.
De acordo com Max Birch, primeiro autor do estudo, “considerando a geometria como uma fonte de quebra de simetria ao lado das propriedades intrínsecas do material, podemos projetar a não reciprocidade elétrica no nível do dispositivo. Nosso recém-desenvolvido método de nanoescultura por feixe de íons focado abre uma ampla gama de pesquisas sobre como geometrias de dispositivos tridimensionais e curvilíneas podem ser usadas para realizar novas funções eletrônicas. “
Yoshinori Tokura, que lidera a equipe de pesquisa, acrescentou: “De forma mais ampla, esta abordagem permite o projeto de dispositivos que combinam estados eletrônicos topológicos ou fortemente correlacionados com curvatura de engenharia em modos de transporte balísticos ou hidrodinâmicos. A convergência da física dos materiais e da nanofabricação aponta para arquiteturas de dispositivos funcionais com implicações potenciais para memória, lógica e tecnologias de detecção. “
