Os transistores com base em silício estiveram presentes na eletrônica por vários anos, mas sua capacidade é cada vez mais insuficiente para as demandas de processamento e armazenamento de informações. Com esse problema em mente, pesquisas nessa área vem buscando novos materiais ou um novo paradigma para adequar o enorme fluxo de informação atual aos equipamentos eletrônicos. Dentre eles, um dos mais promissores são os isolantes topológicos. Esses materiais, propostos em 2006, foram foco da tese de doutorado de Leandro Seixas Rocha, no Instituto de Física (IF) da Universidade de São Paulo (USP), a primeira no Brasil sobre o tema.

Apesar de recente, os isolantes topológicos chamam a atenção de cientistas devido ao seu potencial de aplicação em spintrônica, uma nova forma de fazer eletrônica baseada em spin. “Mas, além disso, o próprio material tem propriedades interessantes, diferentes de todos os outros materiais conhecidos antes”, afirmou Rocha.

Sua principal aplicação está ligada à eletrônica de spin. O spin é uma propriedade intrínseca do elétron, que pode estar em “spin up” ou “spin down”. Pesquisadores acreditam que, ao invés de dispositivos baseados na presença de corrente ou não, como é feito atualmente, será possível a construção de equipamentos baseados em spin “up” ou “down”, que respondem muito mais rapidamente do que o corte ou início de uma corrente elétrica.

Os isolantes topológicos, ao contrário de outros materiais, é isolante no seu interior, mas metálico no exterior, isto é, capaz de transmitir eletricidade. No IF, o Grupo Teórico de Materiais (Sampa) iniciou suas pesquisas sobre esse tipo de material. De acordo com Rocha, que passou um período de seu doutorado no Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) em Troy, nos Estados Unidos, os brasileiros estão no mesmo ritmo que pesquisadores de outros países no tema. “Algumas coisas que a gente está começando a estudar aqui, como a interface entre materiais de isolantes topológicos e outros materiais já conhecidos como semicondutores também estão sendo estudados lá”, afirmou.

As pesquisas iniciais nessa área utilizaram semicondutores, porém, com o surgimento dos isolantes topológicos, outra frente foi criada para unir a nova proposta de paradigma eletrônico com o material. “Com esses isolantes topológicos, conseguiram ser feitas correntes de spin em proporções muito maiores, mil vezes mais rápidas do que com semicondutores”, afirmou Rocha. Resultados como esse deram mais importância ao estudo dos isolantes topológicos, conferindo-lhes o caráter de uma das áreas mais promissoras da eletrônica.

Em sua pesquisa, Leandro Seixas Rocha abordou alguns resultados dos trabalhos realizados no grupo Sampa, mas preocupou-se em fundamentar os isolantes topológicos, devido à pequena literatura no Brasil. “A tese foi baseada nisso, mostrar o fundamento desses novos materiais, do que é que eles diferenciam e, a partir disso, analisar alguns sistemas que já sabemos que são isolantes topológicos”. Dentre os materiais estudados no grupo Sampa, estão o siliceno e o germaneno, materiais baseados no grafeno - o primeiro isolante topológico proposto -, mas formados por silício e germânio, respectivamente, ao invés de carbono, como no grafeno.

As interações com outros materiais, como os semicondutores, também foi foco da pesquisa. Rocha concluiu que, quando em interface com eles, a polarização do spin dos elétrons é alterada.  “Como é o spin do elétron o principal uso para essas novas aplicações eletrônicas, a alteração na polarização pode mudar muita coisa”.