Valetrônica

Há cerca de um ano, cientistas estudavam o promissor grafeno quando descobriram que inserir defeitos intencionais em sua estrutura pode permitir a criação de componentes eletrônicos menores e mais rápidos.

Mas Daniel Gunlycke e Carter White descobriram que pode ser mais fácil aproveitar defeitos que ocorrem naturalmente, produzindo comportamentos discretos ao longo da folha de grafeno.

Esses defeitos geram vale, daí o nome valetrônica, nas bandas de condução e de valência do grafeno.

Elétron, spin e vale

Na eletrônica convencional o processamento dos dados binários se baseia nas cargas elétricas, representadas pelos elétrons e lacunas.

Os dados podem ser gravados também no spin de cada elétron individual, o que faz surgir o campo da spintrônica. Ao contrário da eletrônica, que se baseia na corrente elétrica, a spintrônica usa correntes ou tensões para controlar o spin do elétron, fazendo-o apontar num ou noutro sentido, portanto um efeito de magnetização.

Os cientistas, porém, descobriram que há outro grau de liberdade em determinados cristais, incluindo o grafeno.

Novo número quântico

 

A banda de condução está na base das principais características de qualquer sólido cristalino, ela dita todas as propriedades do material que envolve os elétrons, incluindo, sua condução, não-condução ou semi-condução, ou a cor da luz que o material emite e absorve.

No grafeno, essa banda não é homogênea, mas repleta de vales, provavelmente devido a flutuações térmicas no material.

Na prática, isso significa que há outro número quântico caracterizando o grafeno, associado com a intensidade desse vale. Esse índice de vale equivale a um momento magnético, distinto, mas similar ao spin.

O interesse nesse novo número quântico é crescente entre os pesquisadores porque os primeiros estudos indicam que o momento magnético de um vale no grafeno é pelo menos 30 vezes mais forte do que o momento magnético do spin do elétron. Ou seja, um efeito com grande potencial para aplicações práticas, em substituição à eletrônica e eventualmente complementar a spintrônica.

Na verdade, como não há analogia entre a nascente valetrônica e a eletrônica baseada no silício, é difícil prever as possibilidades de exploração dos vales do grafeno.

Polarização pelo vale

Em 2007, cientistas demonstraram que, assim como é possível filtrar os spins dos elétrons, gerando uma corrente polarizada pelo spin, uma corrente elétrica cujos elétrons tem todos a mesma orientação, igualmente é possível filtrar tanto os elétrons quanto as lacunas de acordo com o vale que eles ocupam.

Infelizmente, as estruturas exigidas para construir um filtro de vales são muito difíceis de fabricar. Como resultado, um filtro de vales ainda está para ser demonstrado experimentalmente.

Agora, os dois pesquisadores descobriram que uma linha defeituosa ao longo de uma malha de grafeno, um defeito que surge naturalmente e é bastante comum nas folhas de grafeno, funciona como um filtro de vales natural.

Como a estrutura já está disponível, estamos esperançosos de que correntes polarizadas pelo vale possam ser geradas no futuro próximo.

Os vales da valetrônica

 

O termo vale refere-se a depressões de energia na estrutura da banda, que descreve a energia dos elétrons permitida pelo sistema de cristal.

No grafeno, essas regiões forma dois pares de cones.

Como um grande momento cristalino separa os dois vales, esse grau de liberdade chamado vale é muito resistente contra variações lentas de potencial, incluindo o espalhamento causado por fônons acústicos de baixa energia, esse espalhamento faz com que os materiais com as mesmas características só funcionem em temperaturas criogênicas.

A polarização pelos vales é obtida quando elétrons e lacunas em um vale são separados espacialmente dos elétrons e lacunas do vale. Isto é difícil de fazer porque os dois têm a mesma energia.

Os pesquisadores agora descobriram, porém, que essa separação pode ser obtida em estruturas de grafeno que possuam uma simetria de reflexão ao longo de uma direção cristalográfica específica, sem ligações que cruzem a simetria.

A simetria de reflexão somente permite que ondas eletrônicas simétricas passem através da linha de defeito, as ondas anti-simétricas são reflexivas.

Os pesquisadores calculam que elétrons e lacunas que se aproximem desta linha de defeito com um grande ângulo de incidência serão polarizados com uma próxima aos 100%.

Ruma a valetrônica

 Os cientistas alertam que ainda há um longo caminho a ser percorrido antes que a valetrônica se torne uma tecnologia viável.

Este avanço agora obtido, contudo, representa um caminho realístico para que se possa aproximar bastante dessa viabilização prática.