O ano acadêmico começou e hoje tivemos o primeiro colóquio de 2008 do Departamento de Física, apresentado pelo físico Don Eigler do Centro de Pesquisa IBM em Almaden.
Poucas pessoas sabem, mas a pesquisa em física teve ligação direta com a invenção das tecnologias mais fundamentais para a existência de microcomputadores: o diodo e transistor. Uma pergunta importante para a física do estado sólido é explicar a condução elétrica em termos da natureza atômica da matéria. Esforços para compreender o transporte de elétrons em materiais datam de pelo menos meados do século 19, mas os modelos falhavam grosseiramente: vários fenômenos eram inexplicáveis (como a dependência da condutividade com a temperatura) ou as previsões eram erradas (como a propriedade termoelétrica, estimada 100 vezes maior, ou a contribuição dos elétrons para o calor específico). A razão disto é que o fenômeno da condutividade elétrica é em grande parte efeito da mecânica quântica dos elétrons se movendo em um meio com vários núcleos atômicos aqui e ali. Isto só pôde ser apreciado nos anos de 1928-1931, quando os físicos Felix Bloch, Rudolf Peierls e Alan H Wilson desenvolveram a teoria quântica do transporte dos elétrons nos materiais: a teoria das bandas eletrônicas. Aplicando esta teoria em laboratório, os físicos William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain em 1947-48 inventaram o diodo e o transistor.
Desde então os físicos tem se interessado fortemente na compreensão das propriedades do estado sólido que possam levar a novas tecnologias. Um exemplo que está na moda é a descoberta do efeito da magnetoresistência gigante, que permitiu a indústria criar os discos rígidos em miniatura para laptops e iPods.
Poucas pessoas sabem, mas a pesquisa em física teve ligação direta com a invenção das tecnologias mais fundamentais para a existência de microcomputadores: o diodo e transistor. Uma pergunta importante para a física do estado sólido é explicar a condução elétrica em termos da natureza atômica da matéria. Esforços para compreender o transporte de elétrons em materiais datam de pelo menos meados do século 19, mas os modelos falhavam grosseiramente: vários fenômenos eram inexplicáveis (como a dependência da condutividade com a temperatura) ou as previsões eram erradas (como a propriedade termoelétrica, estimada 100 vezes maior, ou a contribuição dos elétrons para o calor específico). A razão disto é que o fenômeno da condutividade elétrica é em grande parte efeito da mecânica quântica dos elétrons se movendo em um meio com vários núcleos atômicos aqui e ali. Isto só pôde ser apreciado nos anos de 1928-1931, quando os físicos Felix Bloch, Rudolf Peierls e Alan H Wilson desenvolveram a teoria quântica do transporte dos elétrons nos materiais: a teoria das bandas eletrônicas. Aplicando esta teoria em laboratório, os físicos William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain em 1947-48 inventaram o diodo e o transistor.
Desde então os físicos tem se interessado fortemente na compreensão das propriedades do estado sólido que possam levar a novas tecnologias. Um exemplo que está na moda é a descoberta do efeito da magnetoresistência gigante, que permitiu a indústria criar os discos rígidos em miniatura para laptops e iPods.
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| Circuito desenvolvido em 2002 na IBM Almaden, 12nm x 17nm. Science 289, 5597, p. 1381-1387 |
Já o grupo de Don Eigler na IBM em final de 2002 produziu o menor circuito digital jamais construído, de 17 nm de comprimento (mais de 200 mil vezes menor que os disponíveis no mercado, mil vezes menor que o núcleo de uma célula animal, apenas 200 vezes maior que um átomo de hidrogênio). Para isso, eles desenvolveram uma técnica de manipulação de átomos usando o microscópio de tunelamento que foi inventado na IBM em Zurique na década de 80. O circuito opera a poucos Kelvin de temperatura (cerca de -270 °C) e demora quase 1h para processar informação, portanto ainda não é tecnologia de mercado. O trabalho foi publicado na Science. Mas a grande inovação aqui é fazer um circuito a base da idéia de cascata, análoga a um computador feito a base de dominó.
Uma fila de dominós em que um derruba o próximo pode, naturalmente, transmitir informação. A informação "o primeiro dominó foi derrubado" é propagada ao longo de uma linha reta de dominós por exemplo. Agora, também é possível construir portas lógicas com dominós, basta arranjar a cascata de forma adequada (o vídeo em inglês abaixo explica a idéia). Uma característica importante do sistema é que cada elemento (dominó) só pode influenciar seus vizinhos (só derruba quem está "a frente"). Num computador real, influência a longa distância poderia ser o efeito de uma corrente passando em um fio de cobre gerar ruído em outro fio vizinho.
Uma fila de dominós em que um derruba o próximo pode, naturalmente, transmitir informação. A informação "o primeiro dominó foi derrubado" é propagada ao longo de uma linha reta de dominós por exemplo. Agora, também é possível construir portas lógicas com dominós, basta arranjar a cascata de forma adequada (o vídeo em inglês abaixo explica a idéia). Uma característica importante do sistema é que cada elemento (dominó) só pode influenciar seus vizinhos (só derruba quem está "a frente"). Num computador real, influência a longa distância poderia ser o efeito de uma corrente passando em um fio de cobre gerar ruído em outro fio vizinho.
Ora, que sistema da física do estado sólido se comporta dessa maneira? São os spins dos átomos em sólidos: cada spin interage apenas com o seu vizinho, e eles tendem a se alinhar devido a força magnética. Em 2006, o mesmo grupo de Don na IBM construiu a primeira cascata de spins, i.e. uma cadeia de dominós onde cada dominó é um único átomo e a interação entre os dominós (que permite um derrubar o outro) é a força magnética. O projeto foi liderado por Cyrus Hirjibehedin e publicado na Science.
Imagine o potencial de miniaturização dessa tecnologia: o uso de alguns poucos átomos (~ dez átomos) para construir um circuito lógico completo, o qual pode então ser usado em um computador. Menor que isso impossível!
Ainda não foi possível construir cascatas de spin comercialmente viáveis, mas Don nos assegurou que o grupo da IBM em Almaden está trabalhando duro nesse sentido.
Uma nota marginal: para aqueles que já ouviram falar em computação quântica, os sistemas de cascata de spin são computação clássica, como a realizada nos computadores modernos. A única diferença é o potencial de miniaturização.
Imagine o potencial de miniaturização dessa tecnologia: o uso de alguns poucos átomos (~ dez átomos) para construir um circuito lógico completo, o qual pode então ser usado em um computador. Menor que isso impossível!
Ainda não foi possível construir cascatas de spin comercialmente viáveis, mas Don nos assegurou que o grupo da IBM em Almaden está trabalhando duro nesse sentido.
Uma nota marginal: para aqueles que já ouviram falar em computação quântica, os sistemas de cascata de spin são computação clássica, como a realizada nos computadores modernos. A única diferença é o potencial de miniaturização.
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