Lei de Ohm em escala atômica

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Eletrônica em escala atômica: o nanofio, com apenas quatro átomos de largura, conduz eletricidade obedecendo às mesmas leis observadas nos fios comuns de cobre - a Lei de Ohm continua valendo em escala atômica.[Imagem: Bent Weber]

Lei de Ohm em escala atômica

Py5aal A eletrônica à base de silício pode não ter limites tão drásticos à miniaturização quanto se imaginava. Conforme os componentes eletrônicos ficam menores, eles passam a obedecer às leis da mecânica quântica, e não mais às leis da física clássica. Por exemplo, um fio deveria apresentar uma resistência cada vez maior à passagem da corrente elétrica conforme seu diâmetro diminui, inviabilizando uma miniaturização contínua das conexões de cobre no interior dos chips. Mas pesquisadores australianos demonstraram que não é isso o que acontece. Construindo os mais finos fios já feitos em silício - apenas quatro átomos de largura e um átomo de altura - eles demonstraram que a Lei de Ohm continua válida, como se os nanofios se recusassem a aceitar as leis da mecânica quântica. Bent Weber e seus colegas descobriram que a resistividade elétrica dos seus nanofios - uma medida da facilidade com que a corrente elétrica pode fluir por eles - não depende da espessura do fio. O resultado é que os nanofios, fabricados "de baixo para cima", ou seja, átomo por átomo, transmitem energia quase tão bem quanto os fios normais de cobre.

Tecnologia atômica

Py5aal Isto é surpreendente porque a maioria dos especialistas acreditava que os efeitos quânticos iriam limitar a miniaturização dos componentes eletrônicos abaixo de determinadas dimensões - 10 nanômetros é a dimensão frequentemente apontada como o limite para a tecnologia "de cima para baixo". A equipe construiu nanofios depositando átomos de fósforo, um por um, dentro de canais escavados em uma pastilha de silício, usando a ponta de microscópio eletrônico de tunelamento. Como os átomos de fósforo ficaram "embutidos" no silício, eles ficaram isolados de qualquer influência externa, o que permitiu a medição de suas características com altíssima precisão. Os nanofios pacientemente fabricados têm dimensões entre 1,5 e 11 nanômetros de espessura - dimensões 20 vezes menores do que as dos fios mais finos encontrados nos processadores atuais. Em todas as dimensões testadas, os nanofios mantiveram a capacidade de transferência de corrente do cobre, demonstrando que as propriedades do material maciço podem ser conservadas até a escala atômica. "É extraordinário ver que essa lei básica, a Lei de Ohm, continua valendo mesmo quando construímos um fio usando os blocos básicos de construção da natureza, os átomos," disse Weber.

Com apenas um átomo de altura, os nanofios foram criados inseridos átomos de fósforo em ranhuras criadas em uma pastilha de silício. A simulação mostra a densidade de elétrons conforme eles fluem da esquerda para a direita. [Imagem: Purdue University/Sunhee Lee/Hoon Ryu/Gerhard Klimeck]

Clássico e quântico

Py5aal Segundo os pesquisadores, esse comportamento clássico no reino quântico sugere que várias novas gerações de componentes eletrônicos poderão ser construídas com a tecnologia atual, uma vez que a interconexão dos componentes no interior dos chips poderá atingir a escala atômica sem perda de funcionalidade. A fronteira entre os mundos clássico e quântico é um terreno ainda por demarcar. Experimentos têm mostrado que não há uma regra geral para quando o comportamento clássico cessa e dá lugar ao comportamento quântico. Por exemplo, a Lei de Planck apresenta uma mudança radical em nanoescalaenquanto o chamado ruído eletrônico apresentou uma estabilidade contrária à teoria. Neste novo caso, da preservação da Lei de Ohm em escala quântica, os cientistas acreditam que os átomos de fósforo dão ao nanofio uma densidade de elétrons tão grande (10²¹ elétrons por centímetro cúbico) que sua influência mútua destrói qualquer coerência quântica, levando ao comportamento clássico. O experimento foi realizado a temperaturas criogênicas (4.2 Kelvin), quando se espera que as regras do mundo quântico dominem inteiramente, o que reforça a expectativa de que os resultados valham para a temperatura ambiente.

Tiro pela culatra

Py5aal Os cientistas não estavam interessados em componentes eletrônicos clássicos: eles estão estudando mecanismos para criar computadores quânticos. Pelo menos neste caso, eles obtiveram um resultado que representa uma ótima notícia para os computadores eletrônicos, mas uma notícia bem ruim para os computadores quânticos, cujo funcionamento depende das leis da mecânica quântica.

Bibliografia:

Ohm's Law Survives to the Atomic Scale

B. Weber, S. Mahapatra, H. Ryu, S. Lee, A. Fuhrer, T. C. G. Reusch, D. L. Thompson, W. C. T. Lee, G. Klimeck, L. C. L. Hollenberg, M. Y. Simmons

Science

6 January 2012

Vol.: 335 pp. 64-67

DOI: 10.1126/science.1214319

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