Fenmeno quntico pode ser explorado pela eletrnica convencional

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 10/04/2024

Eletrnica topolgica

No foi por acaso que o estudo da topologia rendeu o Nobel de Fsica de 2016: Alm de sabermos agora que a topologia est em toda a natureza, materiais especiais, conhecidos como isolantes topolgicos, apresentam caractersticas exticas apenas em sua superfcie, mas no em seu interior, o que tem sido explorado em aplicaes que vo desde a eletrnica e a spintrnica at o armazenamento e manipulao de informaes qunticas e a simulao de teorias exticas da astrofsica.

A topologia uma extenso da geometria que olha para a matria de um jeito muito especial: Por exemplo, um copo e uma rosquinha so basicamente a mesma coisa para a topologia porque ambos tm um nico furo. E, topologicamente falando, as coisas no podem mudar por meio de transies suaves – no possvel que um objeto passe a ter um buraco e meio, por exemplo, por meio de uma transio morfolgica.

Como essas propriedades geomtricas podem ser deformadas, mas no intrinsecamente alteradas, os materiais topolgicos apresentam caractersticas especficas em sua superfcie que so muito resilientes, virtualmente “blindadas” contra qualquer alterao em seu interior. por isso que os isolantes topolgicos tornaram-se to importantes para a computao quntica.

A topologia cria uma espcie de “pele protetora” para os eltrons, que caminham apenas pela superfcie do material.
[Imagem: Kyrylo Ochkan et al. – 10.1038/s41567-023-02337-4]

Semicondutor quntico

A novidade agora que esses estados “protegidos” tambm podem ser explorados para a eletrnica convencional, tornando os transistores mais estveis e mais energeticamente eficientes. Kyrylo Ochkan e colegas da Universidade Tcnica de Dresden, na Alemanha, descobriram que um fenmeno quntico topolgico protege o fluxo de eltrons nos semicondutores, normalmente muito sujeitos a interferncias de impurezas do prprio material.

“Graas ao efeito de pele topolgica, todas as correntes entre os diferentes contatos no semicondutor quntico no so afetadas por impurezas ou outras perturbaes externas,” explicou o professor Jeroen van den Brink, coordenador da pesquisa.

Impurezas do material ou mudanas de temperatura so os principais responsveis por interromper o fluxo dos eltrons nos componentes semicondutores, levando instabilidade.

A equipe ento decidiu trabalhar com um semicondutor conhecido como AlGaAs (arseneto de alumnio-glio) que apresenta efeitos topolgicos. Como esperado, o fenmeno de superfcie protege as correntes eltricas, que seguem sem perturbao mesmo quando o material recebe impurezas muito alm das aceitveis pelos padres da indstria microeletrnica.

“Em nosso componente quntico, a relao corrente-tenso protegida pelo efeito pelicular topolgico porque os eltrons esto confinados borda. Mesmo no caso de impurezas no material semicondutor, o fluxo de corrente permanece estvel. Alm disso, os contatos podem detectar at mesmo as menores flutuaes na corrente ou tenso. Isso torna o componente quntico topolgico excepcionalmente adequado para fazer sensores e amplificadores de alta preciso com dimetros minsculos,” explicou o professor van den Brink.

Miniaturizao e menor custo

a primeira vez que se consegue detectar e tirar proveito do efeito topolgico em escala microscpica em um material semicondutor. Este fenmeno quntico havia sido demonstrado em nvel macroscpico trs anos atrs, mas utilizando no um material natural, mas um metamaterial artificial, que muito difcil de miniaturizar.

Isso abre o caminho no apenas para a fabricao de novos tipos de componentes eletrnicos-qunticos de alto desempenho, mas que tambm podem ser incrivelmente pequenos. “Nosso componente quntico topolgico mede cerca de 0,1 milmetro de dimetro e pode ser reduzido ainda mais com facilidade,” disse van den Brink. “Isso torna os componentes topolgicos cada vez mais atraentes para a indstria de semicondutores. Eles eliminam a necessidade de nveis extremamente altos de pureza do material que atualmente aumenta os custos de fabricao dos eletrnicos.”

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