Grande parte da tecnologia eletrônica e de computação moderna é baseada em uma ideia: adicionar impurezas químicas, ou defeitos, aos semicondutores para alterar sua capacidade de conduzir eletricidade. Esses materiais alterados são então combinados de diferentes maneiras para produzir os dispositivos que formam a base da computação digital, transistores e diodos. De fato, algumas tecnologias de informação quântica são baseadas em um princípio semelhante: adicionar defeitos e átomos específicos dentro dos materiais pode produzir qubits, as unidades fundamentais de armazenamento de informações da computação quântica.
Gaurav Bahl, professor de ciência mecânica e engenharia na University of Illinois Urbana-Champaign e membro do Illinois Quantum Information Sciences and Technology Center, está explorando como propriedades não lineares especiais em materiais de engenharia podem alcançar funcionalidades semelhantes sem a necessidade de adicionar defeitos.
Como seu grupo de pesquisa relata em seu artigo “Estado de limite de Dirac auto-induzido e digitalização em uma cadeia de ressonância não linear”, publicado na Physical Review Letters, um metamaterial pode alterar sua funcionalidade por conta própria, dependendo do nível de potência da entrada.
Um metamaterial é um sistema artificial que replica o comportamento de materiais reais feitos de átomos naturais. Os pesquisadores construíram exatamente esse material cujo comportamento é análogo a um tipo especial de semicondutor chamado material de Dirac. Consistia em uma cadeia de ressonadores magnético-mecânicos, onde as interações magnéticas agiam como ligações entre átomos em um cristal unidimensional. Quando algum desses “átomos” era excitado mecanicamente, ou seja, era feito se mover periodicamente, a excitação se espalhava para o resto do cristal, como elétrons injetados em um semicondutor.
Depois de demonstrar que um metamaterial de Dirac completamente uniforme não permite a passagem de excitações mecânicas (assim como os elétrons são proibidos de fluir através de semicondutores isolantes), os pesquisadores introduziram um conjunto específico de não linearidades no sistema. Essa nova propriedade adicionava sensibilidade ao nível da excitação mecânica e podia alterar sutilmente a energia de ressonância dos átomos magneto-mecânicos. Com a escolha certa de não linearidade, os pesquisadores observaram uma transição acentuada do comportamento isolante para o comportamento condutor, dependendo de quão forte foi fornecido um input.
Esse comportamento intrigante resultou do aparecimento espontâneo de uma nova fronteira onde a massa efetiva da excitação mecânica, propriedade interna invisível dos materiais de Dirac, sofria uma mudança de sinal dependendo do nível de excitação. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que esse limite foi acompanhado por um novo estado que “apareceu” no limite e permitiu que a energia de entrada fosse transmitida através do material. Este efeito foi muito semelhante a como um átomo defeituoso age dentro de um semicondutor
“Na fotônica e na eletrônica”, disse Bahl, “propriedades não lineares como essa podem ser projetadas para formar a base de novos sistemas computacionais que não dependem da abordagem convencional de semicondutores”.
Sempre que adicionamos estados defeituosos e átomos especiais, interrompemos a uniformidade do material, o que pode levar a outros efeitos indesejáveis. No entanto, materiais nos quais um estado de defeito pode ser formado sob demanda por meio de uma propriedade invisível, como a massa de Dirac usada neste trabalho, têm profundas implicações para sistemas de informação quântica, onde prometem qubits que podem ser produzidos dinamicamente onde são necessários. O próximo desafio é encontrar ou sintetizar materiais reais baseados em átomos naturais que possam replicar esse efeito.
Os experimentos foram realizados pelo estudante de pós-graduação em Física Gengming Liu em colaboração com o pós-doutorando Dr. Jiho Noh e o estudante de pós-graduação MechSE Jianing Zhao.
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