Grafeno faz elétrons voarem como fótons: Novo componente eletrônico?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/02/2014

Os elétrons (em azul) viajam balisticamente ao longo das nanofitas de grafeno (em preto), que foram fabricadas entre ranhuras de carbeto de silício (átomos em amarelo).
[Imagem: John Hankinson]

Elétrons que se movem como fótons

Por mais famoso que tenha-se tornado, o grafeno pode estar escondendo segredos ainda não desvendados pelos físicos.

Um experimento que eliminou defeitos nas bordas das fitas de grafeno mostrou que os elétrons podem viajar através do material 10 vezes mais rápido do que as teorias diziam ser possível.

O fenômeno inusitado foi chamado de "transporte balístico" por Jens Baringhaus, da Universidade de Leibniz, na Alemanha, que realizou o experimento com o auxílio de colegas da França e dos Estados Unidos.

Os resultados sugerem que os elétrons movem-se nas bordas das fitas de grafeno de forma muito similar aos fótons circulando em uma fibra óptica, em vez do jeitão normal dos elétrons, que trombam e desviam do caminho quando se movem em um condutor metálico.

O resultado prático é que os elétrons circulam quase sem resistência pelas bordas caprichadas do grafeno - e a temperatura ambiente.

As nanofitas de grafeno, por sua vez, funcionam mais como guias de onda ópticos, ou como pontos quânticos, com a resistência elétrica variando em passos discretos, conforme previsto pela mecânica quântica - em um condutor metálico, a resistência aumenta com o comprimento do fio, já que os elétrons têm muito mais no que trombar.

O segredo do fenômeno parece estar nas bordas das fitas de grafeno, que foram criadas sem defeitos.
[Imagem: DOI: 10.1038/nature12952]

Transporte balístico

Nas nanofitas de grafeno, os elétrons podem mover-se por dezenas e até centenas de micrômetros sem darem nenhuma trombada - um resultado similar ao que já fora obtido com nanotubos de carbono, que são essencialmente folhas de grafeno enroladas e, portanto, sem bordas irregulares para atrapalhar.

É esse movimento sem trombadas que caracteriza o transporte balístico, a circulação de elétrons em um meio que oferece trechos sem resistência ao seu movimento - o que é diferente dos supercondutores, que não oferecem nenhuma resistência, mas só fazem isso em temperaturas criogênicas.

"Esta resistência constante está relacionada com uma das constantes fundamentais da física, o quantum de condutância," explicou o professor Walt de Heer, coordenador da equipe. "A resistência deste canal não depende da temperatura, e ele não depende da quantidade de corrente que você está injetado através dele."

Mas, como em todos os fenômenos quânticos, tudo é muito delicado. Basta colocar uma ponta de prova na fita de grafeno para medir sua resistência para interromper o fluxo de elétrons - tocar a fita com uma ponta de prova dobra a resistência elétrica; tocá-la com duas pontas de prova triplica a resistência.

Tudo parece depender mesmo da "lisura" das bordas das fitas de grafeno - os pesquisadores não cortaram o grafeno para produzir as fitas, eles o fabricaram no interior de trilhas de silício, e depois removeram as barreiras laterais, deixando o grafeno com bordas perfeitas - já se sabia que os defeitos nas bordas do grafeno podiam se transformar em virtudes.

A equipe já fez alguns testes para verificar se pode criar um novo tipo de componente eletrônico de altíssima velocidade.
[Imagem: DOI: 10.1038/nature12952]

Grafeno não é silício

Por entusiasmantes que sejam os resultados, apontando para um eventual novo fenômeno físico e novas possibilidades de aplicações, esse comportamento pode ser mais uma pedra no sapato no trabalho daqueles que tentam usar o grafeno na eletrônica, para a construção de chips.

Isso porque, quanto melhor o grafeno conduz eletricidade, mais problemático fica seu uso como semicondutor.

A opinião do professor De Heer é contundente: os pesquisadores têm que parar de tentar usar o grafeno como se ele fosse silício, e em vez disso usar suas propriedades únicas de transporte de elétrons para projetar novos tipos de componentes que permitam uma computação ultrarrápida.

Para isso será necessário manipular esses elétrons ultrarrápidos, fazendo com que eles fluam de forma ordenada e controlada.

"Nós já conseguimos dirigir esses elétrons e os chaveamos usando técnicas rudimentares. Nós podemos colocar um bloqueio, e então abri-lo novamente. Novos tipos de chaves para esse material já estão no horizonte," concluiu o professor De Heer - em um circuito eletrônico, transistores são essencialmente chaves liga-desliga.

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Antes disso, porém, os físicos vão ter que entender exatamente como e por que esses elétrons se comportam quase como se fossem fótons - eventualmente pode estar atuando uma quasipartícula ainda desconhecida.

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