Paredes com espessura de átomo podem esmagar barreiras de tamanho

Portanto, foi com um toque de ironia que Evgeny Tsymbal ofereceu sua explicação para uma maravilha tecnológica – paredes móveis cobertas de dados com a largura de apenas um átomo – que pode eventualmente ajudar os computadores a se comportarem mais como um cérebro.

“Havia evidências inequívocas de que as lacunas de oxigênio são responsáveis ​​por isso”, disse Tsymbal, professor de física e astronomia da Universidade George Holmes na Universidade de Nebraska-Lincoln.

Em parceria com colegas na China e em Cingapura, Tsymbal e alguns ex-alunos da Husker demonstraram como construir, controlar e explicar as paredes privadas de oxigênio de um material nanoscopicamente fino adequado para eletrônicos de última geração.

Ao contrário da maioria das técnicas de leitura e escrita de dados digitais, que falam apenas o binário de 1s e 0s, essas paredes podem falar em vários dialetos eletrônicos que podem permitir que os dispositivos que as abrigam armazenem ainda mais dados. Como as sinapses no cérebro, a passagem de picos elétricos enviados pelas paredes pode depender de quais sinais já passaram antes, conferindo-lhes uma adaptabilidade e eficiência energética mais parecidas com a memória humana. E assim como os cérebros mantêm as memórias mesmo quando seus usuários dormem, as paredes podem reter seus estados de dados mesmo que seus dispositivos sejam desligados – um precursor da eletrônica que liga novamente com a velocidade e a simplicidade de uma luz.

A equipe investigou as paredes que quebram barreiras em um nanomaterial, chamado ferrita de bismuto, que pode ser cortado milhares de vezes mais fino que um fio de cabelo humano. A ferrita de bismuto também possui uma qualidade rara conhecida como ferroeletricidade: a polarização, ou separação, de suas cargas elétricas positivas e negativas pode ser invertida aplicando apenas uma pitada de voltagem, escrevendo 1 ou 0 no processo. Ao contrário da DRAM convencional, uma memória dinâmica de acesso aleatório que precisa ser atualizada a cada poucos milissegundos, esse 1 ou 0 permanece mesmo quando a tensão é removida, garantindo o equivalente à memória de longo prazo que falta à DRAM.

Normalmente, essa polarização é lida como 1 ou 0 e invertida para reescrevê-la como 0 ou 1, em uma região de material chamada domínio. Dois domínios de polaridades opostas se encontram para formar uma parede, que ocupa apenas uma fração do espaço dedicado aos próprios domínios. A espessura de poucos átomos dessas paredes e as propriedades incomuns que às vezes surgem dentro ou ao redor delas, as colocaram como principais suspeitas na busca de novas maneiras de espremer cada vez mais funcionalidade e armazenamento em dispositivos cada vez menores.

Ainda assim, as paredes que correm paralelas à superfície de um material ferroelétrico – e geram uma carga elétrica utilizável no processamento e armazenamento de dados – têm se mostrado difíceis de encontrar, quanto mais regular ou criar. Mas cerca de quatro anos atrás, Tsymbal começou a conversar com Jingsheng Chen, da Universidade Nacional de Cingapura, e He Tian, ​​da Universidade de Zhejiang, na China. Na época, Tian e alguns colegas eram pioneiros em uma técnica que lhes permitia aplicar voltagem em escala atômica, ao mesmo tempo em que registravam deslocamentos e dinâmicas átomo por átomo em tempo real.

Por fim, a equipe descobriu que a aplicação de apenas 1,5 volts a um filme de ferrite de bismuto produziu uma parede de domínio paralela à superfície do material – uma com uma resistência específica à eletricidade cujo valor pode ser lido como um estado de dados. Quando a tensão foi retirada, a parede e seu estado de dados permaneceram.

Quando a equipe aumentou a tensão, a parede de domínio começou a migrar para baixo no material, um comportamento observado em outros ferroelétricos. Enquanto as paredes nesses outros materiais se propagaram perpendicularmente à superfície, esta permaneceu paralela. E ao contrário de qualquer um de seus predecessores, a parede adotou um ritmo glacial, migrando apenas uma camada atômica por vez. Sua posição, por sua vez, correspondia a mudanças em sua resistência elétrica, que caía em três etapas distintas – três estados de dados mais legíveis – que surgiam entre a aplicação de 8 e 10 volts.

Os pesquisadores identificaram alguns W’s – o quê, o onde, o quando – críticos para eventualmente empregar o fenômeno em dispositivos eletrônicos. Mas ainda faltava um. Tsymbal, por acaso, estava entre as poucas pessoas qualificadas para abordá-lo.

“Houve um quebra-cabeça”, disse Tsymbal. “Por que isso acontece? E é aqui que a teoria ajudou.”

A maioria das paredes de domínio são eletricamente neutras, não possuindo carga positiva nem negativa. Isso por um bom motivo: uma parede neutra requer pouca energia para manter seu estado elétrico, tornando-a efetivamente o padrão. A parede de domínio que a equipe identificou na ferrita de bismuto ultrafina, por outro lado, possuía uma carga substancial. E isso, Tsymbal sabia, deveria tê-lo impedido de se estabilizar e persistir. No entanto, de alguma forma, estava conseguindo fazer exatamente isso, parecendo desrespeitar as regras da física da matéria condensada.

Tinha que haver uma explicação. Em sua pesquisa anterior, Tsymbal e seus colegas descobriram que a partida de átomos de oxigênio carregados negativamente e as vagas carregadas positivamente que eles deixaram em seu rastro podem impedir um resultado tecnologicamente útil. Desta vez, os cálculos apoiados pela teoria de Tsymbal sugeriram o oposto – que as vagas carregadas positivamente estavam compensando outras cargas negativas acumuladas na parede, essencialmente fortalecendo-a no processo.

Medições experimentais da equipe mostraram mais tarde que a distribuição de cargas no material se alinhava quase exatamente com a localização da parede de domínio, exatamente como os cálculos haviam previsto. Se vagas de oxigênio aparecerem em outros playgrounds ferroelétricos, disse Tsymbal, elas podem ser vitais para uma melhor compreensão e dispositivos de engenharia que incorporam a valiosa classe de materiais.

“Na minha perspectiva, isso foi o mais empolgante”, disse Tsymbal, que realizou a pesquisa com o apoio do projeto EQUATE com foco quântico da universidade. “Isso liga a ferroeletricidade à eletroquímica. Temos alguns tipos de processos eletroquímicos – ou seja, o movimento das lacunas de oxigênio – que basicamente controlam o movimento dessas paredes de domínio.

“Acho que esse mecanismo é muito importante, porque o que a maioria das pessoas está fazendo – inclusive nós, teoricamente – é observar materiais primitivos, onde a polarização muda para cima e para baixo, e estudar o que acontece com a resistência. Todas as interpretações experimentais de esse comportamento foi baseado nessa imagem simples de polarização. Mas aqui, não é apenas a polarização. Envolve alguns processos químicos dentro dela.”

A equipe detalhou suas descobertas na revista Natureza. Tsymbal, Tian e Chen escreveram o estudo com Ze Zhang, Zhongran Liu, Han Wang, Hongyang Yu, Yuxuan Wang, Siyuan Hong, Meng Zhang, Zhaohui Ren e Yanwu Xie, bem como os ex-alunos da Husker Ming Li, Lingling Tao e Tula Paudel.