Continuously control of polarization via electrically driven long-distance superlubric sliding
Este artigo propõe um novo design para superlubricidade ferroelétrica de longa distância em bicamadas de heterojunção lateral que permite uma polarização vertical continuamente controlável via deslizamento impulsionado eletricamente, alcançando barreiras de comutação ultra-baixas e grandes deslocamentos iônicos ideais para dispositivos sinápticos artificiais.
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No mundo microscópico dos materiais sólidos, cientistas há muito se fascinam por dois comportamentos aparentemente contraditórios: a capacidade de um material reter uma carga elétrica em uma direção específica e a capacidade de duas superfícies deslizarem uma sobre a outra com quase nenhum atrito. O primeiro comportamento, conhecido como ferroeletricidade, é como uma pequena bússola interna que aponta para cima ou para baixo, uma propriedade essencial para armazenar dados na memória de computadores. Tradicionalmente, inverter essa bússola requer um esforço significativo de energia, pois os átomos dentro do material devem ser forçados a mudar suas posições. O segundo comportamento, chamado superlubricidade, ocorre quando duas camadas atômicas são empilhadas de uma forma que seus padrões não se alinham, fazendo com que deslizem uma sobre a outra como se flutuassem em uma superfície sem atrito. Durante anos, pesquisadores lutaram para combinar essas duas ideias. Eles queriam um sistema que pudesse deslizar sem esforço para alterar seu estado elétrico, mas tentativas anteriores dependiam de ferramentas mecânicas, como agulhas minúsculas, para empurrar as camadas. Essa abordagem era muito desajeitada para uso prático, e a energia necessária para inverter o interruptor elétrico permanecia obstinadamente alta.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong propôs agora um novo design que preenche essa lacuna, sugerindo uma maneira de controlar a eletricidade através de um deslizamento suave e de longa distância, impulsionado simplesmente por uma baixa voltagem. Em vez de tentar forçar os átomos a oscilarem no lugar, o conceito deles baseia-se no deslizamento de folhas inteiras de material umas sobre as outras. Eles vislumbram um dispositivo feito de duas camadas finas de material que são costuradas lado a lado para formar uma junção. Quando uma segunda camada semelhante é colocada por cima, a maneira como essas camadas se sobrepõem cria uma carga elétrica que aponta para cima ou para baixo. Ao aplicar um campo elétrico vertical suave, a camada superior pode ser feita para deslizar continuamente sobre a inferior. Como as camadas são projetadas para estar em um estado de superlubricidade, esse deslizamento acontece com quase nenhuma resistência. À medida que a camada superior se move, ela altera a proporção de diferentes padrões de sobreposição, o que, por sua vez, ajusta suavemente a força e a direção da carga elétrica. Isso permite que o material exista em um vasto número de estados intermediários, em vez de ser apenas "ligado" ou "desligado".
Os pesquisadores usaram simulações de computador para testar essa ideia, focando em combinações específicas de materiais bidimensionais, como grafeno ligado ao nitreto de boro. Seus cálculos mostram que a barreira de energia necessária para alternar o estado elétrico neste sistema é incrivelmente pequena, caindo para uma magnitude de micro-elétron-volts. Esta é uma redução dramática em comparação com materiais ferroelétricos tradicionais, onde o custo de energia é muito mais alto. Em seu modelo, o deslizamento pode ser impulsionado por uma voltagem vertical muito baixa, potencialmente tão pequena quanto meio volt, o que contrasta fortemente com métodos anteriores que exigiam altas voltagens ou o toque físico com uma ponta de microscópio. As simulações também revelam que os átomos envolvidos nesse processo podem se mover ao longo de distâncias que são incomumente longas para este tipo de alternância elétrica, excedendo em muito os pequenos deslocamentos vistos em materiais convencionais. Esse movimento de longa distância é o que permite o ajuste contínuo do sinal elétrico, criando um espectro de estados estáveis que poderiam ser usados para imitar as conexões complexas e de múltiplos níveis encontradas no cérebro humano.
Embora o trabalho atual seja uma proposta teórica apoiada por detalhados modelos de computador, e não por um experimento físico, os materiais necessários para construir tal dispositivo já existem. Cientistas conseguiram cultivar junções laterais de grafeno e nitreto de boro, bem como outras combinações de materiais bidimensionais, em laboratórios. Os pesquisadores apontam que os princípios descritos poderiam se aplicar a uma grande variedade de sistemas, incluindo os feitos de dicalcogenetos de metais de transição, que são conhecidos por sua capacidade de carregar cargas elétricas. Eles também sugerem que o design poderia ser adaptado para usar junções PN, que são regiões onde propriedades elétricas positivas e negativas se encontram dentro de um único material. Nesses cenários, o movimento de deslizamento seria impulsionado por campos elétricos locais nas junções, permitindo potencialmente um controle ainda mais eficiente. A equipe enfatiza que a estabilidade de tal dispositivo dependeria da rigidez das próprias camadas de material, garantindo que as camadas deslizantes não fiquem presas ou percam seu alinhamento devido a flutuações térmicas em temperatura ambiente.
As implicações deste design estendem-se além do simples armazenamento de dados. A capacidade de criar um material que pode manter uma gama contínua de estados elétricos, em vez de apenas dois, oferece um caminho promissor para dispositivos sinápticos artificiais. Esses dispositivos são projetados para funcionar como as sinapses no cérebro humano, que podem variar sua força em muitas gradações para aprender e processar informações. Ao permitir uma transição suave e de baixa energia entre esses muitos estados, o mecanismo de deslizamento de superlubricidade proposto poderia fornecer a base para uma nova geração de hardware de computação que seja tanto mais rápida quanto mais eficiente em termos de energia. Os pesquisadores observam que, embora suas simulações prevejam esses resultados, o verdadeiro teste virá quando os experimentalistas tentarem construir e medir esses dispositivos. Se bem-sucedido, este trabalho poderá resolver um grande obstáculo no campo, provando que a eletricidade pode ser controlada não forçando os átomos a saltar, mas guiando-os para deslizar sem esforço através de uma paisagem sem atrito.
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