Dentro dos microchips que alimentam dispositivos eletrônicos, os átomos não estão espalhados aleatoriamente. Eles seguem uma ordem oculta que pode alterar o comportamento dos semicondutores e que, até então, não havia sido desvendada.
Agora, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da Universidade George Washington, nos EUA, observou, pela primeira vez, esses pequenos padrões, chamados de ordem de curto alcance (SRO), diretamente em semicondutores.
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Esta descoberta é revolucionária, pois compreender como os átomos se organizam naturalmente pode permitir que pesquisadores projetem materiais com propriedades eletrônicas desejáveis. Esse controle pode revolucionar a computação quântica, dispositivos neuromórficos que imitam o cérebro e detectores ópticos avançados.
“Esta é a primeira vez que a estrutura individual desses domínios SRO foi demonstrada experimentalmente”, disse Andrew Minor, um dos pesquisadores e professor da UC Berkeley. O estudo foi publicado na revista Science.
Decodificando o arranjo atômico secreto
Até então, o arranjo de átomos raros misturados em semicondutores permanecia um mistério. Essas pequenas quantidades de estanho, silício ou outros elementos não são suficientes para formar grandes padrões repetitivos, então os cientistas não conseguiam dizer se eram aleatórios ou ordenados.
Além disso, a microscopia tradicional simplesmente não conseguia aproximar o suficiente com clareza. Os padrões ocultos importavam “porque a propriedade que está sendo alterada por essa ordenação local é a propriedade mais importante para a microeletrônica, a banda proibida, que é o que controla as propriedades eletrônicas”, disse Minor.
Os pesquisadores tentaram resolver esse problema combinando microscopia avançada com aprendizado de máquina. Primeiro, eles estudaram uma amostra do semimetal germânio contendo pequenas quantidades de estanho e silício usando uma poderosa técnica de microscopia eletrônica chamada 4D-STEM.
As imagens iniciais eram confusas porque os sinais fracos do estanho e do silício eram sobrepostos pelos fortes sinais do germânio. Para corrigir isso, os pesquisadores adicionaram um dispositivo de filtragem de energia que melhorou o contraste, tornando visíveis pela primeira vez padrões atômicos repetitivos sutis.
Em seguida, para identificar esses padrões, eles usaram uma rede neural pré-treinada, que detectou seis motivos recorrentes — arranjos atômicos distintos, mas as estruturas exatas não eram claras. Foi aí que os pesquisadores da Universidade George Washington entraram em cena.
Eles construíram um modelo de aprendizado de máquina capaz de simular milhões de átomos. Ao realizar simulações 4D-STEM, a equipe testou diferentes arranjos até que os motivos na simulação correspondessem aos dados experimentais. Essa combinação perfeita de imagens de alta resolução, filtragem de energia e modelagem de IA finalmente revelou a ordem atômica oculta nos semicondutores.
Avanços na indústria
Esta descoberta pode transformar a forma como os semicondutores são projetados. Ao controlar a ordem de curto alcance em nível atômico, os pesquisadores podem ajustar a lacuna de banda e outras propriedades eletrônicas importantes, permitindo computadores quânticos mais rápidos, dispositivos inspirados no cérebro e sensores ópticos avançados.
Também representa um grande avanço na compreensão de materiais que antes eram muito pequenos ou complexos para serem estudados diretamente. “Estamos abrindo as portas para uma nova era da tecnologia da informação em escala atômica”, disse Lilian Vogl, primeira autora do estudo e pesquisadora de pós-doutorado na UC Berkeley.
No entanto, também existem algumas limitações. Por exemplo, os sinais da SRO podem ser mascarados por defeitos ou movimento atômico à temperatura ambiente, e os pesquisadores ainda estão mapeando como esses motivos influenciam o comportamento dos materiais.
Pesquisas futuras se concentrarão na exploração desses efeitos, com o objetivo de manipular arranjos atômicos para novos projetos de dispositivos.
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