Os computadores quânticos, que podem realizar cálculos muito mais rápidos do que os computadores tradicionais, têm um grande problema: eles são propensos a erros de armazenamento e processamento de dados causados por distúrbios do ambiente, como vibrações e radiação de objetos quentes.
Mas uma descoberta de cientistas liderados pela Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Cingapura), sobre como os elétrons podem ser controlados em temperaturas muito baixas, sugere uma maneira de resolver esse problema e desenvolver computadores quânticos mais robustos e precisos.
As descobertas da equipe, publicadas online na revista Nature Communications em outubro de 2022, mostraram, pela primeira vez, que os elétrons podem ter fortes interações entre eles sob certas condições.
Essas interações, antes apenas previstas em modelos teóricos, foram observadas nas bordas de um tipo de material atomicamente fino e eletricamente isolante em temperaturas ultrabaixas próximas à frieza do espaço sideral.
Liderada pelo professor assistente Bent Weber da Escola de Ciências Físicas e Matemáticas (SPMS) da NTU Cingapura, a equipe de pesquisa confirmou que as interações nessas baixas temperaturas fazem com que os elétrons fluam como um líquido. Isso significa que os elétrons tendem a se mover coletivamente ao longo de uma linha, em vez de se moverem individualmente ou aleatoriamente em direções diferentes.
Colocar os elétrons “em linha” para este estado especial da matéria, apelidado de “líquido helicoidal de Tomonaga-Luttinger”, é um dos principais fatores que os físicos acreditam ser fundamental para permitir que os elétrons se agrupem para formar uma partícula chamada parafermion. Além desse estado especial da matéria, é necessário outro fator chave para a formação de parafermions, que entra em ação em temperaturas ainda mais baixas: a supercondutividade. Essa propriedade, que se refere à capacidade de conduzir eletricidade sem perder energia, pode ser encontrada em determinados materiais.
A criação de parafermions é um objetivo muito procurado pelos cientistas, pois prevê-se que essas partículas ajudem os computadores quânticos a armazenar informações de uma maneira mais robusta do que é possível hoje.
Computadores quânticos, que podem resolver um problema matemático complexo em minutos em comparação com milhares de anos para supercomputadores, atualmente armazenam informações manipulando elétrons ou luz em temperaturas ultrabaixas próximas ao zero absoluto ou cerca de -273 graus Celsius.
Mas os dados armazenados em um computador quântico podem ser facilmente corrompidos por distúrbios do ambiente, incluindo vibrações, radiação de objetos quentes ou mudanças nos campos elétricos.
No entanto, acredita-se que os parafermions sejam muito mais resistentes a tais distúrbios porque as interações entre os elétrons que formam um parafermion e a maneira como eles se movem em um material os tornam mais estáveis. Se os parafermions fossem usados para armazenar informações em computadores quânticos, as máquinas deveriam ser menos propensas a erros.
Elétrons de varredura
Nesta última pesquisa, os cientistas observaram como os elétrons se comportavam sob um microscópio de varredura de túnel. Isso foi feito trazendo a borda de uma classe especial de material eletricamente isolante muito fino incrivelmente perto da ponta de metal extremamente afiada do microscópio. A distância entre os dois era de apenas um nanômetro ou menos, ainda menor que uma fita de DNA.
O material isolante que os pesquisadores usaram compreendia cristais microscópicos de um átomo de espessura do composto ditelureto de tungstênio cultivado em um substrato de grafite ou grafeno. Esses materiais, que parecem quase bidimensionais, são classificados como “isoladores Hall de spin quântico”, que são isolantes eletricamente por dentro, mas têm elétrons presentes ao longo das bordas dos materiais.
Os cientistas então aplicaram uma corrente elétrica do microscópio e observaram os elétrons, mantendo a temperatura do experimento tão baixa quanto 4,5 Kelvin ou cerca de -269 graus Celsius. Isso é próximo do zero absoluto, a temperatura na qual as partículas desaceleram tanto que param de se mover quase completamente.
Normalmente, os elétrons se repelem, pois são todos carregados negativamente e tendem a se comportar de maneira semelhante ao gás, normalmente não se agrupando. Mas à medida que a temperatura cai, os movimentos dos elétrons diminuem.
Em temperaturas suficientemente baixas, a forte repulsão entre os elétrons faz com que as partículas se comportem como um líquido.
Uma medida para a força das interações é um valor chamado parâmetro de Luttinger. Quando este parâmetro é 1, as interações entre os elétrons são mais fracas.
“Quando o parâmetro de Luttinger é inferior a 0,5, as interações são fortes e os elétrons são forçados a um movimento coletivo. Este é o reino onde se prevê que existam parafermions”, disse Asst Prof Weber.
Usando diferentes substratos, como grafeno ou grafite, e verificando diferentes bordas dos materiais, os pesquisadores conseguiram determinar parâmetros de Luttinger muito baixos, que podiam ser controlados dentro de uma faixa de 0,21 a 0,33.
“Esta é uma faixa de variação verdadeiramente notável, já que o parâmetro Luttinger só pode variar entre 0 e 1”, disse Asst. Prof. Weber. “O controle do parâmetro Luttinger em valores tão baixos nunca foi observado antes em qualquer líquido helicoidal Tomonaga-Luttinger.”
Sr. Jia Junxiang, um Ph.D. aluno da Ass. O grupo de pesquisa do Prof. Weber e o primeiro autor do estudo, disse que os experimentos eram difíceis de conduzir.
“A espectroscopia de tunelamento de varredura foi realizada a temperaturas de 4,5 Kelvin, e precisávamos localizar recursos em menos de 30 nanômetros (nm)”, disse ele. “A borda do isolador Hall de spin quântico testado tinha apenas 2 nm de espessura.”
Sondar a superfície de materiais com o microscópio em tais distâncias sem perder de vista o ponto que está sendo observado em meio a mudanças de temperatura é muito desafiador.
“No futuro, um dos nossos maiores desafios será passar para temperaturas ainda mais baixas, que são necessárias para observar parafermions. Para isso, precisamos de laboratórios e equipamentos muito mais avançados”, disse Jia.
Seguindo em frente, Ass. O Prof. Weber planeja realizar experimentos usando tais equipamentos avançados em um novo Laboratório de Vibração Ultrabaixa que foi construído na NTU Cingapura este ano. O laboratório permitirá que experimentos sejam feitos em temperaturas ainda mais baixas, de 150 milikelvins (mK), que é próximo a -273 graus Celsius, onde certos materiais podem se tornar supercondutores.
Experimentar em isoladores Hall de spin quântico supercondutores será a próxima fase de pesquisa em que sua equipe embarcará na busca por parafermions.
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