Cientistas do Centro de Ciência de Materiais Emergentes RIKEN, juntamente com seus colaboradores, desenvolveram uma técnica para construir dispositivos em escala nanométrica tridimensionais diretamente a partir de materiais em cristal único. O método se baseia em um instrumento de feixe de íons focado que pode remover material com precisão em escalas extremamente pequenas. Usando essa abordagem, a equipe esculpiu minúsculas estruturas helicoidais a partir de um cristal magnético topológico composto de cobalto, estanho e enxofre, com a fórmula química Co3Sn2S2. Testes mostraram que essas estruturas se comportam como diodos comutáveis, ou seja, a corrente elétrica flui mais facilmente em uma direção do que na outra.
Dispositivos eletrônicos construídos com formas tridimensionais complexas poderiam ser menores, mais eficientes e mais potentes do que os dispositivos planos atuais. Apesar desse potencial, os pesquisadores tinham maneiras limitadas de criar tais estruturas. Os métodos de fabricação existentes, muitas vezes, restringem os materiais que podem ser utilizados e podem comprometer a qualidade do dispositivo final.
Corte de Precisão com Feixes de Íons Focados
No novo estudo, publicado na Nature Nanotechnology, os pesquisadores abordaram esses desafios usando um feixe de íons focado capaz de cortar com precisão submicrométrica. Este nível de controle permite, em princípio, a criação de dispositivos tridimensionais a partir de praticamente qualquer material cristalino. O processo se assemelha à escultura, onde o material é cuidadosamente removido de um bloco sólido até que a forma desejada seja alcançada.
Para demonstrar as capacidades do método, a equipe fabricou nanodispositivos helicoidais a partir do cristal magnético Co3Sn2S2. Com base nas propriedades conhecidas deste material, eles esperavam que a geometria torcida produzisse um efeito especial de diodo chamado transporte elétrico não reciproco, impulsionado pela forma quiral em escala nanométrica. Experimentos confirmaram essa previsão. A corrente elétrica fluiu mais facilmente em uma direção, e o efeito poderia ser revertido ao mudar a magnetização ou trocar a quiralidade da hélice. Os pesquisadores também observaram a interação inversa, em que pulsos elétricos fortes poderiam inverter a magnetização da estrutura. Diodos são componentes essenciais na eletrônica moderna e são utilizados na conversão AC/DC, processamento de sinais e dispositivos LED.
Como a Forma Controle a Movimento dos Elétrons
Comparando hélices de diferentes tamanhos e medindo seu comportamento em várias temperaturas, os pesquisadores rastrearam o efeito do diodo até a dispersão desigual de elétrons ao longo das paredes curvas e quirais dos dispositivos. Esses achados mostram que a forma física de um componente pode influenciar diretamente como a eletricidade se move através dele. Os resultados sugerem que a geometria em si pode ser usada como uma ferramenta de design, permitindo componentes projetados com baixa potência, engenheirados por forma para futuras tecnologias de memória, lógica e sensoriamento.
Segundo Max Birch, primeiro autor do estudo, “Ao tratar a geometria como uma fonte de quebra de simetria em pé de igualdade com as propriedades intrínsecas do material, podemos engenheirar a não reciprocidade elétrica no nível do dispositivo. Nosso novo método de nanosculpido com feixe de íons focados abre uma ampla gama de estudos sobre como as geometrias de dispositivos tridimensionais e curvas podem ser usadas para realizar novas funções eletrônicas.”
Yoshinori Tokura, que lidera o grupo de pesquisa, acrescentou: “De forma mais ampla, essa abordagem permite projetos de dispositivos que combinam estados eletrônicos topológicos ou fortemente correlacionados com curvatura engenheirada no regime de transporte balístico ou hidrodinâmico. A convergência da física de materiais e nanofabricação aponta para arquiteturas de dispositivos funcionais com potencial impacto nas tecnologias de memória, lógica e sensoriamento.”