Nanotecnologia resfria elétrons sem energia externa

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/09/2014

O chip onde foram construídas as nanoestruturas que filtram os elétrons termalmente aquecidos, deixando passar apenas aqueles que reduzem sua energia.
[Imagem: UT Arlington]

Resfriamento sem energia

Pesquisadores descobriram uma técnica para resfriar elétrons até próximo do zero absoluto - partindo da temperatura ambiente - sem usar qualquer fonte externa, como hélio ou nitrogênio líquidos.

Isto significa que pode ser possível resfriar componentes eletrônicos em escala atômica, ou realizar computações consumindo quantidades de energia extremamente baixas.

Pode parecer mágica, mas não é: o processo envolve forçar os elétrons através de um poço quântico para reduzir suas vibrações, além de descartar aqueles que continuam quentes.

Um poço quântico é uma pequena armadilha capaz de aprisionar elétrons, somente liberando-os quando o poço é atingido pela energia específica para a qual foi projetado.

Neste novo método, o poço funciona como uma espécie de filtro para "acalmar" a excitação termal dos elétrons

"Nós somos os primeiros a efetivamente esfriar elétrons a temperatura ambiente. Pesquisadores já conseguiram resfriar elétrons antes, mas somente quando o dispositivo [de resfriamento] inteiro era imerso em uma solução extremamente fria," disse Seong Jin Koh, da Universidade do Texas, nos Estados Unidos.

Filtro de elétrons

Os elétrons são termalmente excitados mesmo a temperatura ambiente.

Koh explica que, suprimindo essa excitação, é possível baixar efetivamente a temperatura desses elétrons sem resfriamento externo.

O processo é feito em um chip no qual foi construído um dispositivo em nanoescala formado por uma sequência de estruturas: um eletrodo de entrada, por onde os elétrons quentes chegam, o poço quântico, uma barreira de tunelamento, um ponto quântico, outra barreira de tunelamento, e o eletrodo de saída, por onde os elétrons já frios saem.

Esquema do filtro de elétrons, que produz uma corrente com elétrons a -228º C.
[Imagem: Pradeep Bhadrachalam et al. - 10.1038/ncomms5745]

Este sistema filtra os elétrons termalmente excitados, permitindo que apenas os elétrons cuja energia foi suprimida participem da corrente de saída.

O resultado é uma corrente cujos elétrons têm uma temperatura efetiva ao redor de 45 K (-228º C).

Transístor de elétrons frios

A equipe agora está trabalhando para desenvolver um transístor que trabalhe com esses elétrons frios - eles estimam que um transístor assim consumirá 10 vezes menos energia do que os transistores atuais.

Para as aplicações práticas, será necessário ainda encontrar meios de evitar que os elétrons voltem a se aquecer conforme passarem de um componente para outro.

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