Físicos da Universidade da Califórnia, Irvine e outros lugares têm fabricado novos materiais quânticos bidimensionais com atributos elétricos e magnéticos inovadores que podem torná-los blocos de construção de futuros computadores quânticos e outros eletrônicos avançados.

Em três estudos separados que aparecem este mês em Natureza , Avanços da Ciência e Materiais da Natureza , Pesquisadores da UCI e colegas da UC Berkeley, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Universidade de Princeton, A Fudan University e a University of Maryland exploraram a física por trás dos estados 2-D de novos materiais e determinaram que eles poderiam levar os computadores a novos patamares de velocidade e potência.

Os tópicos comuns nos artigos são que a pesquisa é conduzida em temperaturas extremamente baixas e que os portadores de sinal em todos os três estudos não são elétrons - como acontece com as tecnologias tradicionais à base de silício - mas férmions de Dirac ou Majorana, partículas sem massa que se movem quase à velocidade da luz.

"Finalmente, podemos tomar exóticos, teorias sofisticadas da física e tornam algo útil, "disse o professor associado de física e astronomia da UCI, Jing Xia, um autor correspondente em dois dos estudos. "Estamos explorando a possibilidade de fazer computadores quânticos topológicos [atualmente teóricos] para os próximos 100 anos."

Um dos principais desafios dessa pesquisa é o manuseio e a análise de minúsculas amostras de materiais, apenas dois átomos de espessura, vários mícrons de comprimento e alguns mícrons de diâmetro. O laboratório de Xia na UCI está equipado com um microscópio interferômetro de fibra óptica Sagnac que ele construiu. (O único outro que existe é na Universidade de Stanford, montado por Xia quando ele era um estudante de graduação lá.) Chamando-o de o microscópio magnético mais sensível do mundo, Xia o compara a um telescópio que um ornitólogo em Irvine poderia usar para inspecionar o olho de um pássaro em Nova York.

"Esta máquina é a ferramenta de medição ideal para essas descobertas, "disse o estudante de graduação da UCI Alex Stern, autor principal em dois dos artigos. "É a maneira mais precisa de medir opticamente o magnetismo em um material."

Em um estudo a ser publicado em 24 de abril em Natureza , os pesquisadores detalham sua observação - por meio do interferômetro de Sagnac - do magnetismo em um floco microscópico de telureto de cromo e germânio. O composto, que eles criaram, foi visualizado a 387 graus Fahrenheit negativos. CGT é uma prima do grafeno, um filme de carbono atômico superfino. Desde sua descoberta, o grafeno tem sido considerado um substituto potencial para o silício em computadores e outros dispositivos da próxima geração, devido à velocidade com que os sinais eletrônicos deslizam por sua superfície quase perfeitamente plana.

Mas há um problema:certos componentes do computador, como sistemas de memória e armazenamento, precisam ser feitos de materiais que tenham propriedades eletrônicas e magnéticas. O grafeno tem o primeiro, mas não o último. CGT tem ambos.

Seu laboratório também usou o interferômetro Sagnac para um estudo publicado em Avanços da Ciência examinar o que acontece no momento preciso em que o bismuto e o níquel são colocados em contato um com o outro - novamente a uma temperatura muito baixa (neste caso, 452 graus Fahrenheit negativos). Xia disse que sua equipe encontrou na interface entre os dois metais "um supercondutor exótico que quebra a simetria da reversão do tempo".

"Imagine que você volte no tempo e uma xícara de chá vermelho torna-se verde. Isso não tornaria este chá muito exótico? Isso é realmente exótico para supercondutores, "disse ele." E é a primeira vez que isso foi observado em materiais 2-D. "

Os portadores de sinal neste supercondutor 2-D são férmions de Majorana, que poderia ser usado para uma operação de trança que os teóricos acreditam ser vital para a computação quântica.

"A questão agora é tentar conseguir isso em temperaturas normais, "Xia disse. O terceiro estudo mostra a promessa de superar esse obstáculo.

Em 2012, O laboratório de Xia entregou à Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa um oscilador de radiofrequência construído em torno de hexaboreto de samário. A substância é um isolante interno, mas permite que a corrente portadora de sinal feita de férmions de Dirac flua livremente em sua superfície 2-D.

Usando um aparelho especial construído no laboratório Xia - também um dos dois únicos no mundo - os pesquisadores da UCI aplicaram tensão de tração na amostra de hexaboreto de samário e demonstraram no Materiais da Natureza estudo que eles poderiam estabilizar o estado da superfície 2-D em menos 27 graus Fahrenheit.

"Acredite ou não, que é mais quente do que algumas partes do Canadá, "Xia brincou." Este trabalho é um grande passo em direção ao desenvolvimento de futuros computadores quânticos quase à temperatura ambiente. "