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Cientistas medem elétrons rápidos em silício

A indústria de semicondutores, sem contar com o Vale do Silício, é inteiramente construída sobre a propensão dos elétrons em silício para expulsar suas conchas atômicas e serem elétrons livres. Estes elétrons móveis são encaminhados e trocados entre transistores, levando a informação digital.

Uma equipe internacional de físicos e químicos da Universidade da Califórnia, em Berkeley, tem pela primeira vez fotografias tiradas deste evento efêmero usando pulsos de luz suaves de raios-x com duração de apenas alguns bilionésimos de segundos.

Enquanto os lasers de femtossegundos anteriores não foram capazes de definir o salto a partir da camada de valência do átomo de silício em toda região de elétrons de condução, agora os novos experimentos mostram que essa transição leva menos de 450 attosegundos.

“Embora esta etapa de agitação seja muito rápida para experimentos tradicionais, nossa nova técnica permitiu-nos gravar “instantes” que podem ser montados como em um filme revelando a sequência temporal do processo”, explica Stephen Leone, professor da UC Berkeley de química e física.

Leone, e seus colegas da UC Berkeley e colaboradores da Ludwig-Maximilians Universität em Munique, na Alemanha, da Universidade de Tsukuba, no Japão e da Molecular Foundry do Lawrence Berkeley National Laboratory do Departamento de Energia  relataram sua realização em 12 de dezembro na revista Science.

Descoberta centenária é finalmente observada

Leone observa que mais de um século se passou desde a descoberta de que a luz pode fazer certos materiais se tornarem condutivos. O primeiro filme desta transição segue a agitação de elétrons em todo o barramento de silício com a ajuda de uma espectroscopia em attosegundos de ultravioleta em extremo (XUV), desenvolvido no Attosecond Physics Laboratory e executado por Leone e Daniel Neumark, professores de química da UC Berkeley.

Em materiais semicondutores, os elétrons estão inicialmente localizados em torno dos átomos individuais que formam o cristal e, portanto, não podem mover-se ou contribuir para as correntes elétricas. Quando a luz atinge esses materiais ou uma voltagem é aplicada, alguns dos elétrons absorvem energia e ficam em estado de movimento no qual os elétrons podem se mover através do material. Os elétrons concentrados fazem um “salto quântico” na banda de condução, através da barreira que normalmente os mantêm presos aos átomos.

Estes elétrons móveis tornam um material semicondutor em condutor, de modo que uma tensão aplicada resulta em um fluxo de corrente. Esse comportamento permite que os engenheiros façam chaves de silício, conhecidas como transistores, que são a base de toda a eletrônica digital.

Os pesquisadores usaram espectroscopia em attosegundos de XUV com um cronômetro de attosegundos para acompanhar a transição do elétron. Expuseram um cristal de silício a flashes de luz extremamente curtos emitidos por uma fonte de laser. A iluminação posterior com pulsos de raio-x de apenas algumas dezenas de attosegundos (10-18 segundos) de duração, e isso permitiu que os pesquisadores tirassem fotos da evolução do processo de agitação provocado pelos pulsos de laser.

Uma interpretação inequívoca dos dados experimentais foi facilitada por uma série de simulações em supercomputadores realizados por investigadores da Universidade de Tsukuba e da Molecular Foundry. As simulações modelaram tanto o processo de agitação e da subsequente interação dos impulsos de raios-x com o cristal de silício.

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Em semicondutores como o silicone, os elétrons ligados a átomos na estrutura de cristal podem ser mobilizados para a banda de condução de luz ou de tensão.

Salto de elétrons faz átomo ressoar

A agitação de um semicondutor com luz é tradicionalmente concebida como um processo envolvendo dois acontecimentos distintos. Em primeiro lugar, os elétrons absorvem a luz e ficam agitados. Em seguida, a estrutura composta por átomos individuais no cristal, rearranja-se em resposta a esta redistribuição de elétrons, transformando parte da energia absorvida em calor transportada por ondas vibracionais chamadas fônons.

Ao analisar os dados, a equipe descobriu indícios claros de que esta hipótese é verdadeira. Eles mostraram que, inicialmente, apenas os elétrons reagem à luz incidente, enquanto a rede atômica permanece inalterada. Muito tempo depois do pulso de laser de agitação ter deixado a amostra – cerca de 60 femtosegundos mais tarde – eles observaram o início de um movimento coletivo dos átomos, que são os fônons. Este período está perto dos 64 femtosegundos(10-15 segundos) das vibrações mais rápidas da estrutura.

Baseando-se na teoria atual, os pesquisadores calcularam que o espaçamento de estrutura recuperou cerca de 6 picômetros (10-12 metros), como resultado do salto de elétrons, de acordo com outras estimativas.

“Estes resultados representam um exemplo limpo da ciência de attosegundos aplicada a um sistema complexo e de fundamental importância”, diz Neumark.

A resolução temporal sem precedentes desta tecnologia de attosegundos permitirá aos cientistas resolver processos eletrônicos extremamente breves de forma sólida que até hoje pareciam rápidos demais para serem abordado experimentalmente, diz Martin Schultze,  pesquisador convidado no laboratório de Leone no ano passado. Isto coloca novos desafios para a teoria das interações de luz-matéria, incluindo a etapa de agitação, a sua escala de tempo e com a interpretação de espectros de raio-x experimentais.

“Mas aqui também há uma vantagem”, acrescenta Schultze. “Com a nossa agitação extremamente curta e pulsos de sondagem, os átomos no cristal podem ser considerados congelados durante a interação. Isso facilita muito o tratamento teórico.”

Referencias:

  1. M. Schultze, K. Ramasesha, C. D. Pemmaraju, S. A. Sato, D. Whitmore, A. Gandman, J. S. Prell, L. J. Borja, D. Prendergast, K. Yabana, D. M. Neumark, S. R. Leone. Attosecond band-gap dynamics in silicon. Science, 2014; 346 (6215): 1348 DOI: 10.1126/science.1260311
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Escrito por Equipe de Redação Ciências e Tecnologia

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