Eletrônica extrema: transístor funciona com um único elétron

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/04/2011

O esquema do transístor de elétron único mostra três fios (barras verdes) convergindo para a ilha central (área central verde), que pode acomodar até dois elétrons.
[Imagem: U. Pittsburgh]

Uma equipe internacional de pesquisadores, com participação de brasileiros, criou um transístor de um único elétron - ou, melhor dizendo, de no máximo dois elétrons.

A pesquisa está em uma área de fronteira entre a eletrônica tradicional e a computação quântica.

Em tese, o transístor de elétron único tanto poderia ser útil para a criação de memórias ultradensas, levando a miniaturização a um novo patamar, quanto funcionar como um qubit para um computador quântico.

Ilha de elétrons

Em 2006, a equipe do professor Jeremy Levy, da Universidade de Pittsburgh, criou pontos quânticos de germânio que, colocados sobre um substrato de silício, com precisão de 2 nanômetros, eram capazes de aprisionar elétrons individuais.

Em 2009, o mesmo grupo criou uma plataforma universal para fabricar componentes eletrônicos com dimensões próximas à escala atômica.

Agora eles juntaram todos os ingredientes e criaram uma "ilha de elétrons" que mede apenas 1,5 nanômetro de diâmetro.

A ilha se torna o elemento central do transístor de elétron único quando recebe um ou dois moradores - um ou dois elétrons.

Os elétrons são levados até lá por meio de nanofios, que funcionam como os eletrodos do transístor. O número de elétrons aprisionados - que pode ser apenas zero, um ou dois - altera as propriedades de condução do dispositivo.

Isto permite que o componente funcione como um átomo artificial, de grande interesse na área da computação quântica.

Sensor elétrico e de força

Os elétrons tunelam de um fio para o outro através da ilha. A tensão elétrica no terceiro fio controla as propriedades condutoras do local, fazendo com que o elétron possa ou não tunelar - daí seu funcionamento como transístor

A principal vantagem do transístor de elétron único é a sua extrema sensibilidade a uma carga elétrica, o que o torna potencialmente um sensor elétrico, com um nível inédito de precisão.

O componente é ferroelétrico, o que significa que ele pode funcionar como uma memória de estado sólido que não perde os dados na ausência de eletricidade.

A ferroeletricidade também torna o transístor sensível a pressões em escala nanométrica, o que o torna potencialmente útil como um sensor de força.

Os elétrons tunelam de um fio para o outro através da ilha, que pode funcionar como um transístor, como um átomo artificial ou como um sensor de carga elétrica ou de força.
[Imagem: Cheng et al./Nature Nanotechnology]

Transistores de elétron único

Os cientistas já conseguiram construir transistores de elétron único (veja Transistor faz operação com um único elétron e Criado transístor acionado por um único elétron) e até mesmo um transístor mecânico acionado por um único elétron.

O campo da chamada atomotrônica também inclui um transístor atômico, que faz uma ponte entre as computações eletrônica e quântica.

Esta pesquisa se diferencia pelo material utilizado - este é o primeiro transístor de elétron único feito inteiramente de óxidos - e pela técnica de fabricação.

Mas essa técnica de fabricação está longe daquela com a qual os transistores tradicionais são feitos nas fábricas: os cientistas usam a ponta finíssima de um microscópio de força atômica para manipular os átomos na interface entre um cristal de titanato de estrôncio e um filme de aluminato de lantânio.

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O trabalho contou com a participação de Gilberto Medeiros Ribeiro, da HP Labs, e Pablo F. Siles, doutorando da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

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