Valleytronics é um campo emergente no qual vales – mínimos locais na estrutura da banda de energia dos sólidos – são usados para codificar, processar e armazenar informações quânticas. Embora o grafeno fosse considerado inadequado para Valleytronics devido à sua estrutura simétrica, pesquisadores do Instituto Indiano de Tecnologia de Mumbai, Índia, mostraram recentemente que esse não é o caso. Suas descobertas podem abrir caminho para computadores quânticos de pequeno porte que podem operar em temperatura ambiente.
Do lado do consumidor, é muito fácil notar os avanços gigantescos que o campo da eletrônica deu nas últimas décadas; com dispositivos vestíveis, cidades inteligentes, carros autônomos, missões espaciais aprimoradas, robôs, holografia e supercomputadores, as possibilidades de avanço tecnológico parecem infinitas. No entanto, sem o conhecimento da maioria das pessoas, essa tendência acelerada de avanço tecnológico alimentado pela eletrônica está rapidamente parando conforme os componentes eletrônicos atingem seus limites práticos. Se quisermos continuar melhorando nosso poder e capacidade de computação, precisaremos encontrar novas maneiras de armazenar e processar dados além do simples fluxo e carga de elétrons, que é como a eletrônica moderna opera.
Portanto, os computadores quânticos tornaram-se recentemente um tema quente. Ao codificar informações em fenômenos quânticos, os computadores quânticos transcendem a noção binária de cada bit sendo “0” ou “1”. Em vez disso, os bits quânticos existem como superposições de “0” e “1” e podem, portanto, assumir valores intermediários. Explorando superposições por meio de algoritmos cuidadosamente projetados, os computadores quânticos poderiam teoricamente superar os computadores convencionais em várias ordens de magnitude em termos de velocidade. Infelizmente, tem sido difícil encontrar fenômenos quânticos adequados para codificar informações em temperatura ambiente. Os computadores existentes, como os de propriedade do Google, IBM e Microsoft, devem ser mantidos em temperaturas ultrabaixas abaixo de –196,1 graus Celsius, o que os torna caros e impraticáveis de operar.
Felizmente, existe uma abordagem muito promissora para codificar informações quânticas que está sendo explorada ativamente: a Valleytronics. Além de sua carga, os elétrons têm outro parâmetro que pode ser manipulado, a saber, seu “vale pseudospin”, que é o vale que o elétron ocupa. Esses chamados vales são mínimos locais nas faixas de energia dos sólidos, que ditam o estado energético e a localização dos elétrons. Os vales, com seu estado de ocupação governado pela mecânica quântica, podem ser usados para codificar, processar e armazenar informações quânticas em temperaturas menos restritivas.
Recentemente, uma equipe de cientistas do Instituto Indiano de Tecnologia (IIT) de Mumbai, na Índia, e do Instituto Max-Born, na Alemanha, alcançou um avanço no campo da Valleytronics. Em seu último estudo, publicado na Optica, eles apresentam uma maneira de realizar operações de vale em monocamada ou grafeno puro, o que foi considerado impossível por outros pesquisadores da área. Como o garoto-propaganda dos nanomateriais de carbono, o grafeno é feito de átomos de carbono em um padrão hexagonal e possui uma infinidade de propriedades favoráveis. Camadas atomicamente finas de grafeno têm vales de elétrons, mas, devido à simetria inerente do material, foram consideradas inúteis para operações de vale.
Apesar das probabilidades, a equipe criou uma estratégia para quebrar a simetria do vale do grafeno usando a luz. O professor Gopal Dixit do IIT Mumbai, que liderou o estudo, explica: “Adaptando a polarização de dois feixes de luz de acordo com a rede triangular do grafeno, descobrimos que era possível quebrar a simetria entre dois átomos de carbono vizinhos e explorar a estrutura de banda eletrônica nas regiões próximas aos vales, induzindo a polarização dos vales. “Em outras palavras, isso permite o uso dos vales do grafeno para efetivamente “escrever” informações”.
O Dr. Dixit também destaca que os flashes de luz podem fazer com que os elétrons se mexam várias centenas de trilhões de vezes por segundo. Em teoria, isso significa que a Valleytronics a taxas de petahertz é possível, o que excede as velocidades computacionais modernas em um milhão de vezes.
Um dos aspectos mais atraentes da condução de operações de vale em grafeno é que é possível fazê-lo em temperatura ambiente. “Nosso trabalho pode abrir a porta para computadores quânticos em miniatura de uso geral que podem ser usados por pessoas comuns, bem como laptops”, observa o Dr. Dixit. Com as velocidades computacionais mais altas fornecidas pelos computadores quânticos, será muito mais rápido realizar simulações moleculares, análise de big data, aprendizado profundo e outras tarefas computacionalmente intensas. Por sua vez, isso irá acelerar o desenvolvimento de novos fármacos e a elucidação de estruturas moleculares, que ajudarão na busca de cura para doenças complexas, incluindo o COVID-19.
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